2018年中国空间技术研究院神舟学院的“深空探测技术概论”课程已经讲解过半，学生们针对载人深空探测任务进行了创新性设计构想，现摘录一些学生的优秀作业与读者分享。（注：已经作者授权。）学生们结合自己所学的专业进行了思考，他们的认识或许稚嫩，或许不成熟，但都代表了他们对未来的思考，还请同道中人留言点评指导。
作者：付振东，中国空间技术研究院总体设计部在读博士生
摘要：本文以星际旅行和星际移民为背景，概述了星际旅行及星际移民需要具备的三项最基本、最需要解 决的关键技术——星际飞船、外星基地和人类进化。
关键词：星际移民、星际飞船、原位制造、基因进化
1. 简介
星际移民，即天文科学家在宇宙中寻找到适宜人类居住的星球或者在其他星球上 创造条件让人类移民居住。过去研究人员提出早期移民人口数量为几百人，但科学家认为需要从人类群体遗传学上去考虑，人数太少不能组成基本的繁衍群体，人数太多需要是运输成本又太高，而且移民的多少也决定了需要多大的宇宙飞船。Marshall T. Savage在《The Millennial Project》一书中曾经预计，小行星带可以容纳下 7500 万亿的居民。著名物理学家 Stephen W. Hawking 于 2010年8月在接受美国著名视频共享网站 BigThink 访谈时，称地球将在200年内毁灭，而人类要想继续存活只有一条路：移民外星球。
众多的科幻电影或电视作品已经向我们展示了如何进行星际旅行以及进行星际 移民。比如星际之门（STARGATE）中的“命运号”星际飞船，具备曲速引擎、乘员低温休眠仓、人工智能计算机等等；再如星际迷航（Star Trek）中的“企业号”宇宙飞船，同样具备星际旅行的能力；再比如前段时间上映的电影泰坦（The Titan），从另一个视角讲述了星际移民，即通过对人类的基因改造，使人类具备在土卫六上生存的能力。纵观这些科幻作品，我们不难发现，想要进行星际旅行甚至星际移民，需要具备三个基本的条件：星际飞船、外星基地和人类进化。
2. 星际飞船
想要进行星际旅行或者星际移民最根本的条件就是有一艘可以进行星际飞行的 飞船，而且这种飞船必然和我们现在所具备的载人飞船、航天飞机等完全不一样。
首先，这种星际飞船必须足够的大。想象一下我们历史上的“大航海时代”，人类在开始探索海洋时的情况，我们的舰船从体积的演变上可以看出，巨型化、综合化是其发展趋势，从最初的帆船到如今的航空母舰，人类用了数千年的时间。那么，在如今这个航天时代，作为承载人类探索太空的载体——星际飞船，必然也和舰船的发展有着类似的过程。未来的星际飞船应该是类似航空母舰一般的存在。这种星际飞船一定不是在地面建造完后发射升空的，一定是在太空中进行建造，而且它只能在太空中飞行，永远不会着落到其他星球表面，否则其巨大的重量会直接毁掉。目前，很多国家开展了多项在轨制造、在轨组装、在轨焊接等方面的研究。上海宇航系统工程研究所的杨廷蕾等在研究 NASA 的“蜘蛛制造”技术基础上，提出突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性的一种思路[1]。沈晓凤等人介绍了国内外在轨组装技术的研究现状，指出以模块化可重构航天器、大尺寸天线和光学载荷为典型目标的在轨组装技术已得到了广泛研究，提出模块及接口的通用化、提高组装效率和降低组装成本是在轨组装技术工程化应用的重点。归纳了在轨组装的关键技术，包括结构模块化及单元设计、在轨组装平台设计、在轨组装机器人以及在轨组装综合管理等[2]。装备学院航天装备系的张雅声等针对 GEO 带的空间碎片清理，提出了名为“女娲”的 GEO 在轨服务计划，利用在轨回收、3D 打印、在轨组装等关键技术，实现基于空间碎片的在轨制造能力，并从任务需求、任务使命、任务流程、系统组成以及卫星系统概念设计等方面，对“女娲”计划进行了系统分析[3]。未来，在轨制造、在轨装配必然会得到长足的发展，人类在太空中制造巨型星际飞船的愿望一定可以实现。
其次，这种星际飞船速度必须足够的快。我们都知道宇宙中速度最快的是光，而我们现在的飞行器的速度和光速差了好几个数量级，未来要想星际旅行甚至星际移民，星际飞船的速度必然要进一步提高，最起码要向光速靠近。如果我们要在太阳系内移民，亚光速飞行就够了，但是目前我们的化学能推进技术，不仅对燃料的消耗非常巨大，飞行的速度也远远低于光速。那么要进行太阳系内的星际旅行，必须要在推进技术方面得到突破性的进展。
核推进一定是未来推进发展的一个主要方向，类似核动力航母要比传统动力航母有巨大的优势一样。朱安文等在介绍空间核动力发展历程的基础上，总结了同位素热电源、核反应堆电源、核推进在深空探测领域的应用情况和相关发展情况，并讨论了空间核动力的安全问题[4]。洪刚等针对载人登陆火星任务需求，基于核热推进大比冲、高能 量转换效率和低风险的优点，设计了八次地 面发射、五次近地轨道对接、人货分离任务构架，并提出了总推力为 450 kN 的核热推进总体方案[5]。
如果要跨越太阳系，到达其他星系的话，仅仅是亚光速飞行是远远不够的，需要超光速推进系统。基本所有的星际旅行的科幻作品中都提到了一种超光速推进系统——曲速引擎。曲速引擎应用的是空间翘曲原理，早在 20 世纪 50 年代，德国物理学家海姆开始探索“超时空动力”的概念，他提出：“曲速航行”就是利用时空扭曲和时空跳跃实现超光速飞行。他认为强力磁场就可以制造引力场，以高速推动宇宙飞船。如果磁场足够强大，宇宙飞船就可以进入一个比我们所在的时空更高的二度次空间，以超光速航行。当磁场一消失，宇宙飞船就会重返现在的时空。2015 年 5 月，美国宇航局的科学家已经开展了对曲速引擎的研究工作，并对这种科幻级的动力系统进行了测试。这个的工作室位于美国宇航局约翰逊航天中心 Eagleworks 实验室，首席科学家为 Harold White 博士，他们已经通过一套被称为 EmDrive 的动力装置获得了推力。据称，该装置在真空中每千瓦功率可以产生 1.2 毫牛顿的力，这一推力高达太阳帆的 100 多倍。EmDrive 不需要任何此类的燃料，只需要太阳能，它就可以 在外层空间慢慢地累积速度，最后达到极快速度飞至外星球。如果将 EmDrive 作为宇宙飞船的发动机，那么前往月球只要 4 小时，到火星只要10周，到半人马座只要 100 年。2016 年11月17 日，NASA 的Eagleworks 实验室基于" EmDrive "测试完成的题为《在真空条件下测量密闭射频腔生成 的脉冲推力》的论文通过了同行评审，在 AIAA 网站发布。该论文是正式发布的首个通过同行评审的 EmDrive 研究论文。从2010年开始，中国西北大学的杨涓教授就开始发表关于 EmDrive 的论文。在 2013年，她带领一组队伍，制作出了 EmDrive 原型机，并发表论文公布测试结果： 0.5 千瓦的电量产生了720 毫牛（约72克）的推进力。可以看出，一旦EmDrive 可以实现工程化，未来将是对星际旅行及星际移民最有力的支持。
最后，这种星际飞船必须具备足够强大的人工智能。人类一旦开始星际旅行，持续飞行时间可能是数十年甚至数百年，而人类的寿命毕竟是有限的，所以大部分飞行时间中，乘员们将处于休眠状态，星际飞船将是自主控制的飞行并完成一系列的任务，这就需要飞船的主控电脑具备足够的人工智能化。无论是各类型有关人工智能的科幻作品也好，还是最近发展火热的人工智能技术，都指出人工智能在未来的人类生活中占据非常重要的地位。而星际飞船一定是具有一 台非常强大的人工智能计算机，可以完成所有人类预定的目标，并且可以根据实际突发事项在无人干预的情况下自行处理一些问题。
我认为，一旦人类彻底掌握了这三种基本技术，那么太空中的“航空母舰”——星际飞船一定可以成为现实，成为人类离开太阳系，飞向深空的载体。
3. 外星基地
人类有了星际航行的交通工具，那么接下来就是找到适宜人类居住的星球并建立 永久居住基地。纵观各类星际旅行科幻作品，外星基地的建设不外乎两种：一种是比较基础的，类似《火星救援》中基地形式，由多个圆柱形空间站组成，内部具备人类生存的环境；另一种是目前看起来比较科幻的，基地形式与地球上城市无异，整个基地被“天穹”保护起来，“天穹”之下所有空间都是适宜人类生存的。不管哪种形式的基地，想要把整个基地从地球上搬到外星球是很难的，这就离不开其中的关键技术——原位资源利用（ISRU）。
2014年8月，NASA 宣布“火星 2020”表面巡视探测器上的7个精心挑选的仪器， 其中一个仪器“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE），目标是将火星大气中的二氧化碳转化为氧气。2017 年8月24日，国外媒体报道，目前研究人员研制了一种方法，可以将宇航员尿液和呼出的二氧化碳转变成塑料，并在太空中制造成工具。该系统依赖于特殊的酵母菌株，使用尿液中的尿素和宇航员呼出的二氧化碳制造聚酯化合物，它可作为 3D 打印机原料，制造新的塑料部件。同时，其它酵母菌株可以制造基本的欧米加-3 脂肪酸，为宇航员提供营养物质。
人类想在外星生存，需要解决的几个最基本问题就是：氧气、水以及食物。在 NASA 提出的 MOXIE 计划中，对如何利用二氧化碳生产氧气进行了详细的阐述。该计划使用由Ceramatec. Inc开发的固体氧化物电解堆，用于将 CO2转化为 O2。该装置通过 108W 的电力可产生 22g /h的 O2。在火星大气处理模块（APM）中，NASA 提出针对 CO2的一系列处理措施，包括了收集和提纯 CO2的子模块、通过 H2将 CO2催化为 CH4和 H2O 的子模块、通过电解将 H2O 分解为 H2 和 O2的子模块，电解产生的 H2 可以去催化 CO2，产生的 O2 和 CH4 进行液化储存，作为推进剂。这样的话，就可以利用火星中的 CO2 进行人类生存必需品水和氧气的制备，同时可以制备推进系统所需的推进剂。目前 NASA提出的原理样机可实现 88g/h 的 CO2 制备、32 g/h 的 CH4制备和 72g/h的H2O制备[6,7]。
4. 基因进化
对于星际移民，基本所有人都认为需要寻找行星环境类似地球的行星或者建立密 封舱来防御不利的外界环境。但是换一种思路，我们可以不改变行星环境来适应人类生存，而是改变人类自身来适应相应的行星环境。2018 年上映的科幻电影《泰坦 The Titan》就给了我们很大的启示。电影讲述的是未来人类为了移民土卫六——泰坦星，筛选了一 批人类进行基因改造，目的是为了使人类适应泰坦星的自然环境——可以在氮气中呼吸，可以在液态甲烷海洋中游泳以及可以在低温环境中生存。那么，如果我们想要移民火星，或许我们可以通过改造人类的基因，使人类可以适应火星的环境，或许我们可以将基因改造后的新人类称为“火星人”。 近几年来，随着全基因组测序技术的不断成熟，科学家们在各种细菌和古细菌（archaea）中陆续发现了很多成簇的、规律间隔的短回文重复序列（CRISPR 序列）以及和 CRISPR 序列相关基因（Cas）。研究发现，这些 CRISPR 序列与很多病毒或者质粒的 DNA 序列互补，很多 CRISPR-Cas 系统需要多种蛋白的参与，但只要一种细菌编码的内切酶 Cas9 可以利用向导 RNA（核糖核 酸）分子对特定的 DNA 片段进行定向切割，这种基因组编辑技术就被称为 CRISPRCas9[8]。该技术能够对基因组进行特异性定点改造，对细胞乃至整个生物体进行基因组改造。目前科学家已经利用这种技术对细菌、人体细胞以及斑马鱼进行过成功的遗传学改造工作。随着这项技术的不断的发展，我相信在不远的未来，人类通过改造自己的基因，使人类自身可以适应各种外行星环境将不再是梦想。
5. 结论
本文以星际旅行和星际移民为背景，概述了星际旅行及星际移民需要具备的三项最基本、最需要解决的关键技术——星际飞船、外星基地和人类进化。人类未来的太空探索一定不仅局限在太阳系甚至是银河系，当人类具备星际飞行的能力后，必将会像人类历史上“大航海时代”一样，揭开人类“大太空时代”的序幕。
参考文献
[1] 杨廷蕾,江炜. 在轨 3D 打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展[J]. 深空 探测学报,2016.
[2] 沈晓凤等. 在轨组装技术研究现状与发展趋势[J]. 载人航天,2017.
[3] 张雅声,程文华.“女娲”计划:面向地球静止轨道的在轨服务系统[J]. 装备学院学 报,2017.
[4] 朱安文等.空间核动力在深空探测中的应用及发展综述[J]. 深空探测学报,2017.
[5] 洪刚等.载人登陆火星任务核热推进系统方案研究[J]. 载人航天,2018.
[6] T Muscatello. Mars Atmospheric Capture and Processing[R]. NASA- 20170001808,2017.
[7] P Jha,JD Way, A Srinivasan. Atmospheric In-situ Resource Utilization for Mars Application[R]. NASA,2016..
[8] 崔杰等. CRISPR/Cas9 靶向基因改造技术及原理简介[J]. 中国甜菜糖业,2017.
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