要燃烧多少颗星星,才能去宇宙里冲浪?

新创

2017-07-26 09:16

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编者按:最近的高温让人想融化:无论是高烧到 200 度的机器人,还是一个不想出门的上班族。头顶上这个大锅炉,要是能带我去宇宙里冲浪有多好!在星际旅行开始之前,我们先来聊聊关于燃料的故事吧。

无论交通工具怎么进化,对燃料的需求都是实实在在的,而不同级别的交通工具,用于推进的燃料用量也不同。不是每个人都能像《回到未来》中的博士那样,只用一些香蕉皮、废易拉罐和树枝就能穿越时空。即使是时间领主那样,科技甩人类无数条街的种族,他们的 TARDIS 也得时不时跑到时间裂缝上 “充电”。而星际飞船因为燃料不足而发生一系列意外也是许多科幻作品中的经典桥段之一。

(时间领主的 TARDIS 对能源的需求也是实实在在的,谁都没有永动机)

当我们面临着石油、天然气等化石能源危机时,就在一天文单位之外,有个天然的核反应堆,每小时辐射出的能量足够整个世界用上一年。是时候给人类的能源未来制定一份 B 计划了。

人工光合作用:收集液态的阳光

在人们还哼哧哼哧烧煤烧石油的 1940 年,科幻大师海因莱因就在短篇小说《要有光》里设想了一种叫 “光板”(light panel)的光电能转换设备。发明之初是用作更高效的灯泡,像平板显示器那样直接把电能转化为冷光,但小说的主角们很快发现,“光板” 还能逆转这个过程,利用光来发电。

(来源:Nanyang Technological University)

今天的太阳能电池板已经能将太阳的辐射能转化成电能,但这一时半会儿还不能完全替代传统的化石燃料。如果能模拟植物的光合作用,把经过数百万年产生煤和石油的过程,压缩在以小时计量的单位内,不仅能缓解现在的能源危机,还能把燃烧产生出的二氧化碳循环利用,不用担心碳排放超标了。

其实,早在 1925 年,德国科学家就研发出了利用钴或铁作催化剂制造碳氢燃料的方法,并且在二战时期曾作为石油的替代品,但由于技术局限,这个过程反而产生了更多的一氧化碳,混在一起的燃烧质量并没有好多少。2016 年,一份发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的报告公布了一项加州大学伯克利分校的研究成果,我们离液态阳光或许并不遥远了。这一 “姗姗来迟” 的发现,比挖到了一个大煤矿更加令人兴奋。

(光合作用中,太阳能到化学能的转化过程,图片来源:PNAS)

负责这项研究的杨培东教授和他的小组提出了三种可能的人工光合作用方法,其中之一是将细菌与无机半导体结合,利用纳米粒子收集阳光,模拟自然界中的光合作用,在 200 小时近似于阳光的照射环境中,可以实现 0.38% 的太阳能转换率,这与绿色植物的功率几乎相当。最有可能实现的方案,则是给一种特殊细菌 “喂食” 氢气,让它们与二氧化碳结合之后 “拉” 出甲烷,这种太阳能到燃料的转换率能达到 10%。虽然还远不及海因莱因等科幻作家在小说中的设想,但至少已经在捕获阳光这件事上有了突破性的进步。

(从事 “人工光合作用” 研究的杨旭东教授)

自然界中没有废弃物,植物耗费数百万年才能把阳光、水和二氧化碳转化为能源,而在实验室中,科学家已经能以数百万倍的速度重现这个过程。也许不久以后,我们就不再需要修建巨大的石油钻井平台,也不用挖巨大的矿坑,去开采地底下的能源,因为我们将拥有一瓶液态的阳光。如果当成礼物送出去,不仅能照亮心中的文艺之魂,还能带我们驶进星辰大海,比一瓶子萤火虫浪漫多了。

在近地轨道上,用微波输送阳光

虽然太阳这个巨大的核反应堆每年都将超过 12 万兆兆瓦的能量照射到地球表面,但这之间毕竟相隔了一天文单位的距离,我们能真正接收到的这 12 万兆兆瓦,是其中很小的一部分,更多的能量都消散在了茫茫的宇宙空间里,或者因为刮风下雨等大气层波动,而没能最终落在地面上。解决办法其实也挺简单:把电池板送到地球轨道里,让它们在太阳的照耀下闪闪发光。

1968 年,时任国际太阳能学会主席、美国航天工程师 Peter Glaser 就提出了这样一个几乎不可能的疯狂设想:用一个城市大小的卫星,从太空中收集太阳能,并以微波的方式传回地球,用于驱动地球上的设备。Glaser 的想法太过大胆,以至于直到 70 年代国际油价飞升后,NASA 才开始仔细看几年前的计划书。1979 年,NASA 对需要的技术和成本做了个估算,认为 3000 多亿美金的花销实在是不值得,于是这个项目在开始前就被叫停。

( 提出这个疯狂设想的 Peter Glaser 已于 2014 年去世,享年 90 岁。图片来源:www.space.com)

但 Glaser 的设想从来没有被遗忘,科技的发展和化石燃料的危机让科学家们开始了新的尝试。

2007 年,大阪大学激光技术研究所把阳光转化成了 180 瓦的激光能,不久之后,北海道的科学家也开始在野外测试,用微波的方式输送太阳能。这两项研究都是 “空间太阳能发电系统”(Space Solar Power Systems,SSPS)的一部分,由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)支持,预计在 2030 年将一个太阳能发电机送进地球同步轨道,把 100 万千瓦的太阳能转化成微波或激光传回地球表面,输送到商用电网上,或以电解氢的方式储存起来,产生的能量大致相当于一个大型核电站的输出量。

JAXA 说,这一研究的优势十分明显:在太空中,太阳的辐照度是地面上的 5-10 倍,采用这种方式后,地表接收的能量强度将是中纬度地区晴朗的夏日正午照射功率的 5 倍。另外,SSPS 系统是真正意义上的清洁能源,可以 24 小时不间断收集,还不用担心刮风下雨,看上去像是个近乎完美的方案。

(SPSS 概念图, 图片来源:Mafic Studio)

负责人铃木拓明说,这个计划的目标是 “生产稳定、廉价的能源和氢燃料,把价格控制在每度电 6.5 美分”,还可能与 NASA 和欧洲航天局合作进一步开发空间资源。如果 2030 年这一太空发电站能建成,不仅会改变利用太阳能的方式,还可能为人类航天器飞进深空提供更稳定的燃料来源:不需要再专门回到地面来补充燃料,在近地轨道上就能 “充电”。

星际加油站,收集恒星能去冲浪

当收割了足够的太阳能,就能向宇宙进发了。不过等等,一艘飞船能携带的物资毕竟有限,人们花大价钱飞进太空,可不是要拖着一大箱燃料去转一圈就回来,还要装食物、科学仪器、船员旅客和一些夹带的私货。最理想的情况,当然就是像公路电影那样,在路上临时加油,在太空里,就是利用飞掠过恒星的时机补充恒星能。

到这一阶段,人类就成了真正的 “恒星收割者”,比单纯把接收到的太阳能转化成电能要高级多了。虽然目前连离得最近的太阳的能源都尚未完全开发,但人类至少可以在科幻小说和电影中在恒星的牵引下去冲浪。

例如《星际之门》中的 “命运” 号就曾飞向一颗恒星来紧急补充燃料,《神秘博士》中也出现了专门开采恒星能的非法开采飞船,在《星球大战》电影中,更是出现了一个 “弑星者基地”,把从所在恒星系获取的恒星能量储存起来,并转化成高强度的能量束,在时空中撕出一个裂口来摧毁行星。而最彻底地利用恒星能源的人造设备,大概要数戴森球了。

(《星球大战》中的 “弑星者基地”)

这是一个 1937 年就出现在了英国作家奥拉夫∙斯特普尔顿(Olaf Stapledon)的科幻小说《恒星制造者》(Star Maker)中的概念。1960 年,美国数学物理学家弗里曼∙戴森正式提出了较为完整的理论。戴森球是一个包裹在恒星外的人造核融合反应堆,由无数块小太阳能电池板环绕组成,外壳只有几英寸厚,用于开采恒星能,还可能呈现出环状或壳状等多种形态。

拉里∙尼文的小说《环形世界》就描绘了一个类似的结构,环形世界本身其实就可以看作是戴森球的一个 “切片”。这个圆环宽 100 万英里,直径大约等于地球轨道的直径,通过人工制造重力来绕着一颗恒星旋转,并把这颗恒星的大部分能量都截获下来,维持环形世界文明的运转。

(“环形世界” 想象图)

拉里∙尼文在小说中详细描述了这个世界的构建方式,甚至提供了具体细节。例如环形世界的拱门上有许多终界线,像移动的墙一样把黑夜和白昼分割开来。还有用于防止小行星碰撞的系统,在一块非常坚硬的板面下,是塑料一样的海绵物质,流星体撞上之后会被汽化,而板面本身也可以挡住 40% 的中子。虽然有这些工程图一般的解释,但就人类文明来说,短期内想要修建这么一个巨大的圆环还比较困难。根据前苏联天文学家尼古拉∙卡尔达肖夫提出的划分文明层次的标准,当一个文明能建造戴森球时,它至少已经达到了 II 型标准,也就是说,可以充分使用绕行恒星的所有能源。

(艺术家对戴森球的视觉化呈现,图片来源: Adam Burn)

地球文明目前还处在 0 型的晚期,想要成为真正的 “恒星收割者”,看上去还有些遥远。但说不定有一天,这些酷炫的设想就能变成现实,人类将有可能在太阳外面建一层薄薄的 “肥皂泡”,让星舰在这个巨大的核反应堆的推动下慢慢加速,最终去深空冲浪。

无论是在实验室里模拟光合作用,重现自然界中碳、氢、氧的舞蹈,还是在轨道上近距离收割阳光,想象一个利用恒星去冲浪的未来,那些令人着迷又蕴涵着巨大能量的化学变化就发生在头顶。加满油,启动引擎,这将是一个新的冒险时代。

(加满油,启动引擎,这将是一个新的冒险时代,图片来源:wallup.net)

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