太空基础设施——建造通向天堂的阶梯

新太空时代

随着埃隆·马斯克的 SpaceX 发明了可靠的可重复使用火箭，一场新的太空竞赛拉开帷幕。这是因为它将进入轨道的成本降低了近 10 倍，而巨大的星际飞船预计将进一步降低成本。

来源: 方舟投资

这就导致了现在的情况：到 2023 年，无论从质量还是卫星数量来看，绝大多数被送入轨道的卫星都是由 SpaceX 发射的。

根据预估，星际飞船每次发射最终将能够向近地轨道（LEO）运送50至200吨的物质。这将是向前迈出的重要一步，或许将创造人类历史上新的里程碑，包括：

• 月球上的永久基地。
• 人类首次探险火星。

如果你想了解更多关于这些事情已经发生后的世界会是什么样子，以及它如何创造一个自给自足的太空经济，你可以在我们的文章中阅读更多内容“未来的太空经济“和”未来的火星经济“。

Starlink 和类似的卫星星座是已经在建设中的大型太空基础设施。它们使地球上任何地方都可以接入高速互联网，预计将成为 SpaceX 等公司的主要现金流来源，该公司已经拥有数百万付费用户。

来源: 方舟投资

然而，火箭发射最终受限于其技术所基于的物理原理。一个关键因素是，火箭需要消耗大量的燃料才能升空。例如，SpaceX的猎鹰重型火箭重达22.2吨，载油量却高达433吨。这意味着，最终大部分燃料都只是为了运载更多燃料而消耗掉的。

为了将发射成本控制在 100 美元/公斤以下，需要采用一些与火箭完全不同的方法。

如果脱离地球引力的成本足够低，许多东西都可以在太空建造。

伟大的成就离不开基础设施

仅依靠火箭到达太空就像我们仅使用飞机和直升机进行地球上的所有运输和贸易一样。虽然技术上并非不可能，但当建设港口、道路和铁路等基础设施使我们能够使用更便宜的替代方案时，这将非常昂贵。

太空领域可能有点像先有鸡还是先有蛋的问题。到目前为止，大规模基础设施还不值得建设，因为我们的发射需求只是将几十颗卫星和十几名宇航员送入轨道。

随着更好的发射系统的出现，我们很可能在未来 2 年内看到人类在太空的活动大规模扩展。其中一些活动将带来丰厚利润或资金充足，包括：

• 科学大型项目，例如 建设 月球背面的射电望远镜.
• 西方国家以及中国和俄罗斯的月球基地。
• 太空旅游，包括亚轨道飞行、轨道空间站或月球旅游。

这将创造一个足够庞大的市场，投资数百或数千亿美元只是为了从 SpaceX 等火箭公司手中夺取市场份额将是有利可图的。

大众驱动程序

一种这样的基础设施被称为质量驱动器，有望大幅降低发射成本。目前，利用现有的技术，这很可能已经可以实现。质量驱动器的关键理念是，航天飞机可以通过在地面上加速到不需要机载推进剂的程度，从而进入轨道。

科学家和工程师们研究的方法是制造一列类似于超级高铁概念的磁悬浮列车，在真空中运行。这样，轨道和空气粒子之间的摩擦就不会减慢运载火箭的速度，也不会使运载火箭升温。

来源: 百科全书

中国已开始考虑开发此类技术，因此它可能比我们预期的更接近。

如果成功的话，它可以将 SpaceX 已经大幅降低的轨道发射价格再降低 10 倍，估计成本为 60 美元/公斤。

顺便提一下，这种类型的系统可以首先用于 使用较小尺寸的模型来推动飞机，使其达到高超音速超燃冲压发动机可以工作的速度，从而实现非常快速的高超音速飞行.

真正的巨型工程

当然，轨道质量驱动器需要达到极限速度，并且绝对巨大而强大，才能运载和加速数百或数千吨的有效载荷，才能与宇宙飞船竞争。

发射轨道也需要数百甚至数千公里长，最有希望的候选地区是青藏高原。

然而，质量驱动器仍然是最不雄心勃勃的太空基础设施提案之一，因为它主要仅受到可用资金和利用已知技术进行设计的能力的限制。

太空电梯

另一种以最低能耗上下搬运物品的已知方法是使用配重，就像电梯一样。这样，唯一消耗的能量就是提升有效载荷，不需要极高的速度。

这就是太空电梯的理念，利用数万公里长的系绳将物体从地球上空运送上来。从理论上讲，这样的系统可以使进入轨道的成本比目前乘坐飞机的成本还要低。

来源: 伊塞克

这里的关键限制因素不是市场需求或可用资本（尽管这些也很重要），而是技术。如此长的电缆需要超轻材料，其抗拉强度远高于钢或钛等普通材料。

这种情况可能会发生改变，像石墨烯这样的超级材料似乎能够满足技术要求，我们在文章“石墨烯等二维材料开辟了材料科学的新前沿“。

然而，这需要大规模生产高质量的石墨烯晶体，而这至今尚未实现。以目前石墨烯的价格来看，这将非常昂贵。

然而，它将成为人类在太空、轨道工业和星际贸易中持续存在的理想基础设施，每年可向地球同步轨道运送 30,000 吨货物，相当于每天发射数十艘星际飞船。

您可以在这段时长 1 小时的视频中详细了解这一概念 国际太空电梯联盟:

轨道巨型结构

如果我们真的能够建造太空电梯，或者利用来自小行星的材料在月球上建立大型制造设施，我们可以想象一种更宏伟的基础设施。

例如，轨道环是建造一个环绕整个地球的结构的想法。

来源: 艾萨克·亚瑟

该系统将利用离心力抵消地球引力，使其保持在轨道上。它还将提供太空栖息地、维护站、深空任务发射场、发电锚点（太阳能电池板），甚至可能通过遮阳篷来缓解气候变化。

然而，从技术和基础设施的角度来看，这种概念过于雄心勃勃，至少在建造质量驱动器和太空电梯之前，它可能永远无法实现。

采矿站和处理器

开采小行星获取原材料并在太空中加工矿石的想法更加容易实现且更加现实。

许多小行星都富含金属；事实上， 我们太阳系中的小行星带含有约 8% 富含金属（M 型）的小行星整个小行星带重达 2.4 千万亿吨，这可是一大堆金属。

来源: 欧空局 – 太阳系中大多数小行星分布在两个区域：火星和木星之间的小行星带，以及特洛伊小行星带（两组在木星绕太阳运行的轨道上分别在木星前方和后方移动的小行星）。

在地球上，我们挖深达 2-4 公里的金或铂。但只要一颗小行星， 16 Psyche 可能是一块长 200 公里、等待开采的金属，其价值（按当前价格）为 10-700 美元 五百亿.

因此，有两种类型的太空采矿可以带来高利润：

• 黄金和白金等稀有材料将被运回地球。
• 可以在轨道上使用的基础材料来建造宇宙飞船、太空酒店等，而无需支付从地球运输这些材料的高昂成本。

最有可能的是，小行星采矿项目将通过捕获和运送含有高价值矿物的小行星到地球附近来赚钱。并利用由碳铁、镍等组成的采矿尾矿来建造空间站、月球基地、火箭等。

另一个优点是，一旦采矿设备被送入太空，它就可以在失重的环境下开采小行星。这可以使太空采矿 更容易 而在地球上，移动数千吨岩石是一项耗能且危险的活动。

太阳能集热器

另一个有望成为太空经济驱动力的太空产业是太阳能。在正确的轨道上，太阳可以全天候照耀，而且由于缺乏大气层吸收光线，因此强度要高得多。

这样的系统既可以成为建设太空基础设施的理由（降低动力卫星的成本），也可以成为进一步进步的推动因素（比如为小行星采矿精炼站提供动力）。

来源: 太空太阳能

（我们在文章“太空能源解决方案带来无尽的清洁能源“）。

激光帆螺旋桨

要离开地球，要么需要火箭，要么需要先进的基础设施。但在太空中移动，一旦远离重力井，实际上只需要很少的能量。事实上，能量如此之少，以至于光就能提供足够的能量。

这就是太阳帆概念背后的物理学。这不是一个推测性的科幻概念，而是 美国宇航局已在测试一项真实技术.

这种帆既可以用太阳光推动，也可以用激光推动。因此，我们有可能看到星际旅行不再燃烧燃料，而是用轨道或月球上的激光提供动力，而激光本身则由当地的太阳能卫星提供动力。

外星基地和殖民地

在讨论基础设施时，大多数人会关注那些“华而不实”且具有技术挑战性的项目，比如太空电梯。

然而，太空中还需要大量其他基础设施，特别是如果我们要建立永久定居点，从为科学家和游客提供住宿的基地到火星上繁荣的城市。

这包括圆顶农场、室内水培和鱼菜共生食品生产、电信、发射台、燃料生产和加油站等，以及平凡但同样重要的发电厂、电力线、医院、道路、水管等。

艾氏剂输送机/循环器

月球上的基地或殖民地将“很容易”直接从地球获得补给。人员或游客的进出将在短途旅行中完成，最多只需几天。

然而，前往火星等更远的目的地可能需要近一年或最多几周的时间。这对于原材料和设备来说不是问题，只是使物流稍微复杂一些。

这对乘客来说更成问题。地球磁层以外的空间受到强烈辐射。如果发生难以预测的太阳风暴，前往火星的乘客可能会受到更多的辐射。因此，除了最初踏上火星的勇敢探险者之外，普通的乘客旅行将需要一艘非常沉重且屏蔽良好的飞船。

也许可以通过船上生产一些食品和强大的水循环来限制需要运输的物资数量 （我们在文章“太空食品——我们将如何养活人类的下一波先驱者？“）。

这可以在传统火箭中实现。但这会浪费燃料，因为每次都要加速和减速整个防护罩、生命支持系统和食物供应系统。

相反，奥尔德林循环器（由第二位登上月球的宇航员巴兹·奥尔德林提出）或 火星自行车 可以永久地在轨道上运行，因此它会定期出现在地球和火星附近。

来源: 伊桑·麦克唐纳

这样，你就可以建造一个永久性的空间站，供人们往返火星。它将拥有强大的辐射屏蔽和食品生产能力，以及更舒适宽敞的房间和体育设施，让人们即使在没有重力的情况下也能保持体形。

来源: 奥尔德林

奥尼尔圆柱体和小行星殖民地

说到太空栖息地，人们考虑过比前往火星途中的中途停留站/酒店更雄心勃勃的概念，比如奥尔德林循环站。这是杰夫·贝佐斯正在推行的计划，计划“让一万亿人生活在巨大的太空站中，也称为奥尼尔圆柱体。”

这些是巨大的圆柱体，它们的旋转将在内部产生人造重力，其大小足以容纳数十万或数百万的居民。

来源: 蓝色原产地

它们既可以用来提供理想的生活条件，也可以将重型和污染性工业从地球生态系统中转移出去。

这样的基础设施将为整个太阳系无数人提供无限的生活空间。它甚至可以用于殖民其他恒星，因为它们基本上是可以自我维持的微行星。

然而，这种基础设施在太空殖民化进程中可能比轨道环出现得更晚，因为它需要每年数万亿吨的太空制造能力，以及几乎零成本的往返地球的运输。

戴森球

在推测性太空基础设施的最末端，是戴森球，或戴森群。

这个想法由弗里曼·戴森首先提出，即利用太阳系中所有可用的岩石和金属，建造一群比奥尼尔圆柱体还要大的太空栖息地，每个栖息地的表面积都可能与地球一样大，以便尽可能多地捕获太阳的能量输出。

来源: 维基百科上的数据

这也被认为是任何太空文明的“终局”。很难想象还有比彻底拆解行星以优化其物质和太阳能量利用更高科技的方法。

它是天文学家们深入研究的“技术特征”，旨在寻找潜在的外星技术文明的迹象。

这显然是一个极具争议的话题， 但似乎已经有 60 位明星符合这一条件天文学家对此仍存在激烈争论，因为他们可能只是发现了一种新型恒星。然而，这对对太空探索感兴趣的人来说很有趣，并将为人类探索星空能走多远打开一个全新的视角。

你也可以找到 更多有关太空殖民和我们在 Spacehabs 讨论过的基础设施的精美概念艺术和微缩模型.

投资太空基础设施

太空是一个非常成熟的行业，在可重复使用火箭的推动下经历了重生和爆炸式增长。我们在文章“可重复使用火箭通过大幅降低成本创造多个新市场“。

当前太空市场规模为 443 亿美元。 即使忽略小行星采矿、太空旅游和高超音速飞行等更具投机性（但可能非常有利可图）的想法，也可以再增加 350 亿美元的收入，此外还可以加上 卫星互联网价值预计将达到 17 亿美元以及军事应用和资助的月球基地、科学项目等。

您可以通过许多经纪人投资与太空相关的公司，您可以在此网站上找到我们对最佳经纪人的推荐 美国, 加拿大, 澳大利亚, 英国, 以及许多其他国家.

如果你对选择特定的太空相关公司不感兴趣，你也可以研究以下 ETF： ARK 太空探索与创新 ETF (ARKX) or VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) 利用整个航天领域的增长。

太空基础设施公司

1. 火箭实验室

火箭实验室是可重复使用火箭市场最有力的竞争者之一。该公司最初专注于小型火箭，包括 Electron 发射系统（有效载荷 320 公斤），目前正逐步转变为小型火箭 部分可重复使用的火箭迄今为止，Electron 已在 177 次发射中部署了 44 颗卫星。

随后，火箭实验室正在考虑制造一种中型可重复使用火箭 Neutron，与 Flacon 9 相当（在完全可重复使用模式下，飞往 LEO 的重量为 8,000 公斤，飞往火星或金星的重量为 1,500 公斤）。中子将由燃烧甲烷的火箭发动机（如星际飞船）提供动力，这似乎成为下一代火箭的趋势。

该公司以其完全垂直整合的卫星制造流程而闻名，这使其能够优化成本和设计速度。这使其与 NASA 和美国政府签订了多项合同，包括 价值 515 亿美元的军事卫星合同。 和 Globalstar 价值 143 亿美元的民用合同.

Rocket Lab也是主要制造商 2022 年收购 SolAero Technologies 后，卫星太阳能电池板，有 1000 多颗卫星由这些电池板供电，总共生产了 4MW 太阳能电池。

来源：火箭实验室

目前，其发射系统依赖外部供应商，但 一系列战略收购 应该改变这种状况，在发射系统中复制卫星设计和制造中已经实现的垂直一体化。

该公司还在研究电信 LEO 星座产生经常性收入的可能性。它还为以下领域的研究做出贡献： 与 Varda Space Industries 一起进行太空制造 以及  轨道碎片检查.

SpaceX 拥有埃隆·马斯克那样的商业天赋，能够从零开始开发其技术，而 Rocket Lab 则通过研发和收购相结合的方式，垂直整合所需技术。这种策略在卫星制造领域非常成功，他们现在正寻求将这一策略复制到可重复使用火箭领域。

考虑到卫星生产和 Electron 的成功所带来的现有现金流，Rocket Lab 是赶超 SpaceX 的不错选择，至少在几十年后大规模驱动器和其他基础设施建成之前是如此。

2. 维珍银河

该公司由理查德·布兰森创立，专注于太空旅游。

门票价格在 250,000 美元至 450,000 美元之间，等待名单很长。第一批客户似乎对他们的体验感到欣喜若狂：

我一直知道这将是我一生中最非凡的经历。我一直都知道。人们也告诉我会这样。但当它真的发生了……而且它与你想象中的经历完全不同……那就很难解释了。

“这是我一生中最美好的一天，也是我一生中最激动人心的一天。没有比这更好的了。这超出了我最疯狂的梦想。”

维珍银河一直致力于提高单位经济效益，采用新的发射系统“Delta”可搭载 6 名乘客（而不是 4 名），每月飞行 8 次（而不是 XNUMX 次）。

这两项改进的指标相结合，将使每架飞机的收入提高 2 倍，并且每架达美班车的投资回收期将少于 12 个月。达美航空预计将于 6 年中期进行飞行测试。

来源: 维珍银河

市场领域 当布兰森宣布不再进一步投资维珍银河时，他们感到担忧。尤其是在裁员185名员工以及2024年暂停太空飞行之后，等待达美航空航天飞机的到来，降低烧钱速度。

尽管如此，维珍银河预计将有足够的现金运营到 2025 年或 2026 年。因此，如果达美航空飞行系统的开发顺利（在航空航天业中是一个冒险的提议），该公司应该能够专注于重启和增加现金流，具有以单位为基础盈利的系统。并让公司在2026年实现正现金流。

来源: 维珍银河

（需要注意的是，维珍银河与维珍轨道不同，维珍轨道于2023年XNUMX月申请破产，提供小型卫星发射服务， Rocket Lab 收购该公司的长滩工厂、制造和工具资产).

维珍轨道公司最近的破产以及创始人理查德·布兰森与维珍银河的疏远损害了该公司在投资者心目中的形象，导致其股价在 2023 年和 2024 年暴跌。

强烈建议对股票本身保持谨慎。

同时，之前客户的满意度、明确的盈利设计计划（达美航空班车）以及一长串潜在客户等待名单表明，即使没有筹集更多资金，该公司仍有生存能力。

只要它能尽快让德尔塔级航天飞机起飞就行了。到目前为止， 用于建造 Delta 的工厂已经完工，预计将于 1 年第一季度开始动工.

很多事情都将依赖于达美航空班车的开发、制造和运营的成功，以及在 2025 年底之前实现这一目标。

如果是这样的话，较低的估值将为投资者创造以折扣价购买公司股票的机会。