本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
隨著 NASA 和其他航天機構繼續進行人類的行星際偵察，一件事變得非常清楚：總的來說，太陽系是一個相當潮溼的地方。水，主要以冰的形式存在，幾乎潛伏在我們所看到的任何地方。月球、火星，甚至在炙熱的水星上，深極隕石坑寒冷陰暗的坑底都有水沉積物。水在遠離太陽的地方更加豐富，構成了大量矮行星、衛星和小行星的大部分地殼，甚至偶爾形成地下海洋。
行星科學家經常充滿熱情地談論所有這些水如何提高我們太陽系中存在外星生命的可能性；但很少討論的是，它如何提高將人類生命帶到遠離地球的可能性。水將成為我們存在於任何地方的基石，當然，也許會以超出你意識到的方式。所有這些地外水的殺手級應用不僅僅是飲料和沐浴——它也是火箭燃料。
水已經透過其化學成分氫和氧作為火箭燃料。今天，效能最高的火箭發動機燃燒液氫和液氧，產生非常熱的純水尾氣，從而推動它們在太空中前進。這種火箭非常複雜且昂貴，需要低溫儲罐來防止液氫和液氧沸騰。它們也是非常成熟的技術，其效能處於化學推進可能實現的極限。在成本和範圍方面，它們的增長空間有限。幸運的是，還有另一種使用水為火箭提供燃料的方法，這種方法不需要低溫儲存，並且具有巨大的進一步發展潛力。普通的水，結合電推進，具有化學火箭根本無法比擬的許多優勢。
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電動水引擎透過使用電力以高速透過排氣噴嘴加速水蒸氣來產生推力。這種電力基本上可以透過航天器上太陽能電池陣列吸收的陽光免費產生。從那裡，它可以用來產生微波或其他電磁力，加熱和加速水蒸氣。各種各樣的電推進技術都可以用於這種形式的火箭。
為了理解為什麼電動水火箭為太空旅行提供了革命性的前景，請考慮 500 天往返火星衛星的旅程的設計者面臨的挑戰。為了到達那裡並返回，每一千克質量——宇航員、他們的生命支援系統和他們的航天器——都需要許多、許多千克的火箭燃料。因此，任務規劃者無情地減少質量，通常是透過犧牲生命支援系統的穩健性和最小化飲用水和食物的量來實現的。減少質量過多，你會危及你的船員。減少質量過少，你就會太重而無法到達任何地方。對於 500 天的火星任務，每位宇航員可能只有大約 5 噸水用於飲用、洗澡和清潔。非常短的淋浴可能是每週的奢侈品。
水燃料電動火箭可以改變這場遊戲的規則，並改變太空飛行的經濟性，因為它允許大部分船員的儲水也兼作推進劑。
將大量死重轉化為有效質量帶來了許多優勢。將水用作推進劑意味著船員擁有大量的水儲備，大大提高了安全邊際。例如，如果航天器的氧氣供應出現問題，其大量水庫中的一小部分可以被電解以補充多年的氧氣，從而為深空救援或延遲返回地球留出時間。此外，水還可以帶來另一個好處，即被儲存在船員艙周圍的罐中，以充當抵禦宇宙輻射的屏障。即使所有這些水都很重，但它將帶來如此顯著的整體質量節省，以至於它可以使任務的質量只有化學火箭同類產品的一小部分，從而大大降低了將補給發射到地球軌道的高昂成本。
最終，我們設想可以開採來自太陽系周圍外星地點的水冰，並將其用於為深空電動水動力飛船補充燃料，從而建立“行星際水坑”，這將促進太空經濟和基礎設施的進一步發展。穀神星擁有巨大的水庫和低重力，是一個特別有趣的目的地。
這一切聽起來可能好得令人難以置信，但大量資料證實了電動水火箭的基本前景。對幾種可能的發動機型別進行的測試，例如微波電熱推進器、無電極 洛倫茲力推進器和螺旋雙層推進器，表明它們在使用水或廢氣作為推進劑時，可以產生比最好的化學火箭高兩到十倍的排氣速度。這些更高的排氣速度轉化為更高的燃料效率，從而為任何行星際旅行帶來更大的成本節約。然而，雖然這些發動機具有高排氣速度，但它們產生的推力很小。這使得它們不適合直接從地球發射到軌道，但它們非常適合長途太空旅行，因為所涉及的巨大距離允許速度緩慢積累到驚人的速度。
開發電動水火箭只是人類進一步向外太空擴張所需的一小步；接下來需要的是一個巨大的飛躍，一個將我們從一次性火箭帶到完全可重複使用的行星際航天器的飛躍。如果航天器只使用一次然後被丟棄，那麼減少航天器的質量只會提供最小的成本節省。如果我們的機票價格包括建造飛機，那麼我們很少有人會飛往旅遊勝地！多次使用車輛是降低票價的關鍵，然而，一次性航天器的浪費性正規化在整個人類航天史上一直佔據主導地位。（美國宇航局引以為豪的太空梭，唉，只是部分可重複使用，需要進行廣泛而昂貴的飛行後翻新，這抵消了任何可能的成本節省。）
為了開闢前進的道路，我們可以借鑑過去的相關例子。在太空時代初期，許多專家預測，堅固耐用的宇宙飛船，例如恩斯特·施圖林格的宇宙蝴蝶號，有朝一日會像任何海輪一樣在行星之間航行。它們將始終停留在太空中，就像輪船停留在海中一樣，在報廢或回收之前多次使用，船員和乘客由小型飛船來回運送。正是這個系統使得朝聖者能夠在 1620 年租用一艘老舊的商船“五月花號”，將他們航行到新大陸。幾個世紀後，在鐵路出現之前，驛站馬車是跨越美洲大陸的人員和貨物的主要運輸工具。
為了紀念那些務實的時代，我們提出了開發“太空客車”的建議，這是我們對完全可重複使用的水動力太陽能電動行星際航天器的命名。使用水和電動引擎以及航天器的可重複使用性的協同作用表明，這種方法應該比當前政府擴大人類外星存在的計劃便宜得多，因此也更可行。我們相信，這是一種可行的方法，可以為那些永遠無法負擔得起當今有限且極其昂貴的一次性選擇的國家和機構開放太空飛行。
雖然可重複使用的行星際航天器的想法可能看起來像是一個巨大的技術飛躍，需要幾十年才能實現，但建造太空客車所需的元件技術已經存在。太陽能、電力推進和可充氣結構都是成熟的技術，正在積極開發中，並且已為太空做好準備。透過開發優雅、廉價的太空客車來利用太陽系豐富的太陽能和水資源，也許像 17 世紀的朝聖者這樣的未來群體可以獲得重新開始並建立外星殖民地的機會。
Brian McConnell 是一位作家、工程師和技術企業家，居住在舊金山。Alex Tolley 是一位退休工程師、大學講師和 MOOC 設計師，居住在中央山谷。有關太空客車概念或他們即將出版的施普林格出版社書籍的更多資訊，讀者可以訪問 www.spacecoach.org