太阳能量那么庞大，为何人类不死磕核聚变？

本文来自微信公众号：瞻云（ID：zhanyun2028），作者：瞻云，原文标题：《太阳万分之一能量就很庞大，为何人类不发展戴森球，死磕核聚变？》，题图来自：《太空旅客》

有人提问：可控核聚变与在近太阳轨道上利用太阳能，哪个会更早到来？

问题描述：我对可控核聚变总是持有悲观态度，且不说永远的五十年，单就现在的一些信息来看，还没有什么Q能大于一的反应堆装置。而且大于一也只是一个开始，真正能够达到商用目的，至少要大于10。

而太阳本身也是一个超大的反应堆能源，如果可以在近太阳轨道上建立类似于戴森球的太空太阳能电站，对太阳的能量进行利用。只要能用上理论太阳输出能量的万分之一，或者十万分之一。对于人类来说依然是非常庞大的能源。

单纯说技术角度，这两个的实行难度和技术难度，究竟哪个更大一些？

题主设想的太空太阳能电站，在理论上就被彻底锁死了。

需要消耗1/310的地壳质量，建设10万亿年，用掉7000多个宇宙年龄的时间。

以下是计算和推导过程：

太阳表面的辐射功率密度（照度）高达6000万W/m²，产生5700K的温度，足以让任何材料等离子体化。

在太阳表面轨道，实现十万分之一的能源，连三体人都不敢这么想。

要让材料能够发电，就必须足够地远离太阳。

那应该距离多远？

通过半径与圆表面积关系（4πr²），易知，照度随着距离的增加衰减，且衰减倍数与半径的平方r²成正比。

• 照度，也即辐射功率的密度，单位面积上受到的光通量（E=dΦ/dS）。

• 光通量Φ，相当于1秒钟的辐射能量。
  

当远离太阳中心10个太阳半径时，照度衰减为60万W/m²。

这个照度依旧很高。

太阳直接看作黑体辐射，它的照度，相当于黑体单位面积的辐射通量。

E=B（T）=σT⁴（W/m²），其中σ为斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10-8W/（m²·K⁴），黑体辐射的能量公式也即为斯特藩-玻尔兹曼定律中，辐射系数为1（黑体）时的特殊情况。

通过以上能量关系，可以看出照度与热力学温度四次方T⁴成正比。

由于照度随着照射半径r²衰减，那么，热力学温度T随着照射半径的平方根r衰减。

易得：远离太阳中心10个太阳半径时，一个材料吸收全部能量时，产生的温度依旧高达：5700÷10=1802K。

硅的熔点为1414℃，相当于1687K。

这个温度依旧比硅的熔点高出不少，即便考虑到硅片20%的反射率，温度也高达1700K，足以熔化硅晶体。

低于1414℃，是不是就可行了？

其实，也不是。

光伏板上除了硅片，还有钢化玻璃（保护）、铝合金（密封支撑）、硅胶（密封）、EVA（固定粘贴）、TPT（背膜，耐腐蚀）。

这些材料能够忍耐的最高温度在200~600℃范围内。

在太空上，可以弄粗糙点，尽量用金属材料，不考虑寿命损耗时，我们按尽量高数据的来预估，可做到700多℃的极限，也即1000K左右。这个温度，相比起太阳表面温度降低5.7倍。

代入以上公式，可以得到照射半径，相比起太阳半径增加的倍数为：5.7²=32.5倍，太阳半径为6.955x10⁸m。

那么，让太阳能太空发电站的温度在1000K时，电站距离太阳的最近距离为：2.26×10¹⁰m。

要用上太阳能量的十万分之一，考虑到光伏发电损耗，有效电磁波的转化、发射和吸收。实力利用的能量，达到光能的5%都已经很高了。

那么需要覆盖的十万分之一面积，还需要增加20倍，也即达到太阳光球照射面积的5000分之一。

需要覆盖的总面积为：S=1.28×18m²。

常见光伏材料组件每平米12kg，单晶硅组件17kg/m²。

那么需要的总光伏材料重量，可达到2.2×19kg。

地壳质量2.6×10²²kg。

可得，建设如此规模的太阳能太空电站，需要的总质量高达地壳的1/310，地壳绝大部分都在海平面以下。

要建设这么大的电站，海平面以上的地表基本上都已经挖空了（当然地表还会在伴随着火山地震等大量地质灾难的同时，诞生新的大陆）。

当然，如果是在地球公转轨道建设十万分之一太阳功率的电站，需要用到的地壳质量，更是多大1/7（轨道大了，需要的电站覆盖规模平方倍数增加）。

要建设这么大的太阳能太空电站，运输也是一个问题。

人类最大运载力的火箭，是土星5号，到月球轨道的运载力为45吨。

进入太阳轨道后，还需要通过调整方向，形成不同的椭圆轨道，从而到达太阳系不同位置，预估运载力还会减弱好几倍，最终质量比在20左右。

最终送到建设轨道，材料也就10吨左右。

那么，总共需要运输的次数为：2.2×10¹⁵次。

当前人类一年发射峰值为1千吨左右，相当于20个土星5号。

也就是说，对于人类来说，一年也就能运输20次。

建设这么一个太空太阳能电站，需要的时间为10¹⁴年，也即100万亿年。而宇宙年龄也才138.2亿年，相当于宇宙年龄的7000多倍。

即便人类牺牲全部的工业生产，用于航天，也需要大约50个宇宙年龄。

另外消耗的燃料，也多达运输重量的20倍，需要消耗地壳质量1/15分之一的燃料。然而地球上根本就没有这么多的化学燃料。

所以，要建设这么大的太空太阳能电站，必须掌握在可控核聚变的基础上。

根据钱老的《星际航行概论》，核聚变的最高工质喷速可达15000km/s，相当于当前人类最好发动机工质喷射速度的3000倍。

根据阿克莱公式（也即广义齐奥尔科夫斯基公式）：m0mk =（1+vc1−vc）c2w。

易知，在如此高的工质喷速下，需要的聚变燃料，大约为推送质量的1/1000。

也即， 2.2×16kg。地球上水资源的总质量为1.66×10²¹kg。

水资源消耗大约是7.5万分之一（大约占氘、氚总资源的1/4左右）。

如果考虑用上木星的氢资源，星际氢资源，消耗还会更低。而且掌握可控核聚变，能够星际旅行后，也可以使用星际的星际金属、硅等资源，不用消耗母星的资源。

也就是说，当全面掌握可控核聚变之后，建设超大规模太空太阳能核电站才具有可行性。

前者反而成了后者的必要条件。

但其实，你都能利用可控核聚变，满太阳系飞的时候，建设和维护这么大规模的太空太阳能电站，就很鸡肋了。

其实，过高的能量也不能直接发射给地球使用。

因为地球获得的热量太多，会导致地球的废热过高。

即便题主设想的电站给地球发射万分之一的电能，产生的废热就足以让地球升温100℃，造成全球生物灭绝。

然而，对于航天器来说，也根本用不上这种规模的发电站，航天器自带的太阳能发电装置就足够了。如果所有的航天器组合起来，就相当于局部的戴森球，这种设计倒是可以的，但这和去建设一个电站有着本质的区别。

所以，大型太空太阳能电站，可以为人类未来的终极能源道路锦上添花，但无法成为能源道路的正道。

当然，你把太阳能太空电站的规模，缩小到当前能够做到的级别，还是适用的。例如，现在中国和日本都有这方面的研究方向。由于现在光伏技术很成熟，微型太空发电站出现的时间，是有可能比可控核聚变电站更早的。

总之，非得像题主设想的那样，掌握可控核聚变之前，造出十万分之一总太阳能的太空太阳能电站，当前人类需要用7000多个宇宙年龄的时间。考虑到材料的分子热运动，辐射破坏，整个电站会在漫长的时间中一边建设，也在一边报废。

实际上，这个电站永远都建设不出来，在理论上就被彻底锁死了。

本文来自微信公众号：瞻云（ID：zhanyun2028），作者：瞻云