中國2045年實現航班化航天運輸,為月地空間經濟區10萬億美元的氦3開採打基礎

2021-01-15 小戰略


據新華社9月18日消息,中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民18日說,我國將在全面提升新一代運載火箭性能水平的基礎上,計劃到2045年,實現1小時全球抵達、地面與軌道間以及軌道與軌道間的航班化航天運輸。

包為民當天在福州開幕的2020年中國航天大會上,作《航班化航天運輸系統的發展與思考》演講時透露了上述計劃。他說,實現航班化航天運輸目標分為三個階段:2025年前為起步建設階段,主要任務是突破關鍵技術,形成試驗試用系統;2035年實現目標初步建成,年總飛行數百次、總貨運千噸級、總客運千人次;到2045年目標全面建成,實現按需發射,每年總飛行次數達千次量級,總貨運萬噸級,總客運萬人次。

這位專家說,屆時我國航班化航天運輸將形成體系化能力和規模化產業,總體性能水平達到世界一流,全面形成我國航班化航天運輸系統,滿足我國航天重大任務和商業化運營需求。


好了,新聞回顧完了。


2019年中國31次發射,29次成功。2045年飛行次數達千次量級,意味著25年間中國的航天發射次數要增加33倍。假設每年中國航天發射次數的增速是恆定的,那麼需要每年比上一年增加15%持續25年。這麼一算,好像也不是太離譜。


每年總飛行次數千次量級,總貨運萬噸級,客運萬人次,也就是說每次發射平均人貨重量是10噸級。可見火箭的運載能力與現在的火箭也沒有什麼提高。但是能頻繁的發射,發射成本必須有數量級的下降。


假設中國經濟繼續以6%的速度持續增長25年,那麼2045年中國的GDP是2020年的4.29倍。繼續假設中國的航天投入佔國民生產總值的比例與現在持平不變,那麼2045的發射費用就是2020年的4.29倍。但發射次數增加33倍,那麼2045年一次發射的成本將是2020的4.29/33=13%。確實只要一個數量級的下降就能做到。


有SpaceX的成功探索在前,火箭發射成本降低一個數量級,對中國來說並沒有不可克服的障礙。因此技術不會成為達成計劃的問題,剩下的就是需求。因此要達到每年千量次級的發射,只要維持目前強度的航天投入。


總體來說,中國的航天花費是非常少的,中國航天其實一直在過苦日子,一分錢要花出兩分錢的效果,近年來經費總量有較大增長,也是佔了經濟快速發展的光,投入強度並沒有提升。


在未來中國因為自身發展需求,國際戰略競爭等原因,越來越重視航天,越來越重視科研的情況下,中國航天的經費投入強度應該會有提升。平均15%的增速需要維持25才能達成目標,這個增速遠遠超過GDP的增速,也說明我國航天未來的投入強度會持續增加。


所以,航天發射的需求問題也解決了。2045年實現按需發射,每年總飛行次數達千次量級,總貨運萬噸級,總客運萬人次。是非常有把握的。


其實,之前還有一個更讓人覺得不可思議的新聞,同樣是航天科技集團的消息,說的是中國打算花30年的時間對月球進行開發並建設經濟區,到那時該經濟區的年產值將超過10萬億美元。要知道,2019年中國的GDP才14萬億美元左右啊。按照6%的速度增長30年,2050年的GDP是2020的5.74倍,即80.36萬億美元。如果僅僅一個月地空間經濟區的年產值就是10萬億美元,那就是GDP的1/8、12.5%。整個航天產業在2050年的中國經濟中的佔比只會更高。如果中國的經濟增長不能6%維持30年,那麼航天經濟佔中國經濟的比例還要增加。據此推測,中國經濟未來的一個30年的高速經濟增長點,就是航天產業。而且很自然,這必然成為大國博弈的全新領域,將深刻改變國際秩序與格局,對人類歷史的影響無法估量。因為星辰大海真的照進了現實,儘管我們只是在太陽系內,甚至是地月系內玩耍,相當於我們過去在海邊提煉食鹽,但這樣足夠吸引人了,食鹽在古代可以是好東西,可以當硬通貨使用的。而且,人類終於走出了搖籃,突破並終結了長達500多年的全球化時代,變成了跨星際生存的物種。第一,用大約十年時間突破包括飛船、運輸系統等關鍵技術。第二,到2040年初步建設完成具有國際先進水準的、能夠多次往返並採集月球資源的高效率空天運輸系統。第三,在2050年前後,正式開始建設月地空間經濟區。重要的是,該消息並不只是設想,而是已經開始進入規劃與實施階段的真實存在的航天工程。之前我還認為這不過是說說,但這次簡單估算一下實現航班化航天運輸的可能性之後,不由地對建立月地空間經濟區、年產值10萬億美元的消息多了幾分相信與期待。兩個計劃都是航天科技集團的,而且規劃實現的時間只相差五年。可以認為兩個計劃(幾乎同時)達成時,中國航班化航天運輸的運力不會有太大的不同。假設100%用於這個月地空間經濟區,那麼萬噸貨物+萬人客運產生的價值就是10萬億美元。相當於一人次一噸貨的航天運輸對應的價值就是10億美元。那麼問題來了,月球上有什麼東西這麼值錢?氦3嗎?還是別的什麼東西?

想要把氦3帶回來,不可能把大量的月壤帶回來,必然要先提純。因為氦三是存在於月球土壤中的,雖然說富集度比地球高,但也是相對的,每克月壤大約有2.8*10^(-8)克氦3。


把大量的月壤帶帶到地球上提純成本太大,就需要考慮在月球上建立開採基地,先行提純,然後通過飛船運回地球,氦三存在於月壤中,為了讓氦三氣體放出來需要把月壤加熱到1000攝氏度以上,這需要大量的能源。


在月球上只能靠太陽能解決提煉氦三的能源需求。


2007年「嫦娥一號」的發射,再掀氦-3探測高潮。在對「嫦娥一號」探月衛星微波數據進行一年多的分析後,發現月壤(月球土壤)的氦-3 (He-3)存量預計達100萬噸,轉化成核能後足夠地球使用1萬年。100噸的氦3聚變釋放的能量能提供全球提供一年的能源


去年全球的發電總量達到255512.8億千萬時,其中中國發電量為64951.4億千瓦時=64951.4億度=6.5萬億度,獨佔全球發電量的四分之一,發電量位居世界第一,相當於美國、俄羅斯、日本這三個國家的發電量之和。6.5萬億度電,如果按照工業用電的最高價格1.8元一度(國內各地的電價不是統一的,中國城市居民用電一般價格:0.52元-0.62元一度電,工業用電貴一點,價格:0.86-1.80元一度電。此外還有一種就是租房子的電價,很多外出打工的人租住的房子電費一般是1.00元一度電。),就是11.7萬億人民幣。2050年的GDP是現在的5.74倍,如果用電量也同步增加,那麼2050年的發電量就價值11.7x5.74=67.158萬億人民幣。按照現在人民幣對兌美元的匯率,1人民幣=0.1478美元/1美元=6.7675人民幣,67.158萬億人民幣相當於9.924萬億美元約等於10萬億美元。這麼巧合,我只能認為,中國打算在2050年之後,每年都從月球運回100噸的氦3用於聚變發電,中國核聚變堆的實際應用不會晚於2050年。如果不是對核聚變的現實應用有信心,那麼從月球運回那麼多的氦三就毫無意義,看來,核聚變真的要在我有生之年變成現實了,衝出太陽系移民宇宙依稀就在眼前啊。根據公開的消息,中國預期在2050年前後建設聚變商業示範堆,這一切都完美的對上了。等2050年全中國的用電量都用核聚變的清潔能源替代,這得產生多大的戰略性影響?石油的地位,石油出口國及相關地區的命運,消除化石燃料對溫室氣體減排的影響,對國家能源安全,環境保護的巨大促進作用,中國很可能從(化石)能源進口國變成(清潔電能)能源出口國....不過,100噸的氦三隻佔到屆時中國航天運輸量的萬噸級的1%。那麼是否可以認為我們從月球運回的將是經過提純的月壤,且氦三的含量就是在1%左右呢?相比自然狀態下的每千克月壤大約有2.8*10^(-5)克氦3,濃度提升了1/0.0028=357.14倍。這意味著在月球上的月壤提純工廠每年要處理357萬噸的月壤,這將是一個極其浩大的工程,光是如何搜集這麼多的月壤,已經不是我能想像的了。

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