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2020-09-16 16:23
带着太阳流浪:戴森球

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧,题图来自:电影《太阳浩劫》


今天又是一个高端话题。


带来这个话题的,是一位2020年2月28日刚刚去世的物理学家,弗里曼·戴森,享年96岁。


超大号太阳能电池


95%的人类能源,归根结底来自太阳,不管是风力水力人力畜力,还是煤炭石油天然气。


风,太阳照射不均匀导致空气流动。水,阳光使水蒸发形成河流。人力畜力,植物通过光合作用收集太阳能,再转移到动物身上。化石燃料,尽管产生机理尚有些许争议,但依主流观点看,能量源头还是太阳。



地球就是一颗大号太阳能电池,充电46亿年,挥霍300年,如今还剩多少电量?


能源与文明等级


这是个古老的话题,本僧用数据重新捋一捋。


2000年,从私家车保有量看,估摸约有12亿人过着空调汽车的现代化生活,其中西方发达国家9亿,中国1亿,第三世界2亿。这一年,全球消耗了35亿吨石油,46亿吨煤炭,2.4万亿立方天然气,折合110亿吨标准煤。


2019年,全球消耗50亿吨石油,80亿吨煤炭,4万亿立方天然气,折合180亿吨标准煤。这180亿吨煤让20亿地球人过上了现代化生活。


同理,假设我们让剩下55亿人也过上同样的生活,则每年需要675亿吨标准煤。



经济一旦发达了,人口通常就不增长了,依这个逻辑,全球共同富裕后人口按100亿计,则每年需要900亿吨标准煤。


900亿吨,这就是全人类共同奔小康的代价。



目前全球已探明可采储量,石油2300亿吨,煤炭1万亿吨,天然气205万亿立方,一共折合1.3万亿吨标准煤。


如果是地球人民一起奔小康,只够奔15年!难怪大伙要打成一锅粥,先起来那十亿人死活要摁着咱们这十亿人。


但事情其实没这么悲观,几十年前就有人喊石油只够用几十年了,但几十年后新探明的石油储量越用越多,到今天一算,还能再用几十年。



采石油就和挤牙膏似的,几十年后还有几十年,到底有完没完?据砖家估计,地球上化石燃料不管有没有探明、能不能开采,一口价:10万亿吨石油,10万亿吨煤炭,1000万亿立方天然气,折合22.8万亿吨标准煤。


这只够全人类小康250年,这点时间还不够咱们决定要不要建对撞机呢!


必须得上新能源!水力风力来源不稳定,万一来个干旱天,大家都得吃干饭,因此不可能做主力,还是直接上可燃冰吧。



可燃冰也属于化石燃料,深埋大洋下,别说开采了,想探明储量都没那么容易。美国地质调查局折腾了几十年,现在比较流行的说法是2.1万万亿立方,折合26万亿吨标准煤。


足够100亿地球人民小康290年,加上前面撑的250年,熬到三体人进攻地球绰绰有余。



化石燃料在能源消耗中占比一直稳定在85%左右,绝对的主力。但化石燃料毕竟只是太阳指甲缝里漏到地球的一些光,攒了几十亿年,只够人类文明卯足劲往前奔500年。


顺带说一下,有研究认为,化石燃料可能来源于原始地球的甲烷,这和太阳的关系就不大了,但主流观点还是喜欢生物遗骸变石油的故事。


砖家都搞不清楚,咱外行就不叽歪了,还是翻翻地球自己的家当吧。本僧保证下面几样家当,实打实是地球自己攒的!


地球的家当


核能,特指铀矿,是别的恒星爆炸剩下的残渣,和太阳没一毛钱关系。


已探明的铀储量不到500万吨,用中子把铀238轰成钚239,折合14万亿吨标准煤,远远超过已探明的化石燃料1.3万亿吨。现在知道某大国为啥削尖脑袋钻核能了吧?


惊喜的是,地球妈妈攒的不止这么点,仅仅地壳里就有130万亿吨铀,只是过于分散没法收集。不过不用慌,砖家说可开采的铀矿怎么着也应该有3500万吨,折合100万亿吨标准煤,可奔小康1000年,足足是化石燃料的2倍。



化石燃料加核能,已经能奔1500年了。


万一到时候物理学被封死,找不到新能源,咱还能从地球妈妈的家当里翻出宝贝,继续奔小康。


地热能,80%来源于地球自身放射性元素衰变所释放的能量,没太阳什么事。因为地球到处有微量的放射性元素(如钾40),这些元素不停衰变释放热量,所以地球就像是不停发热的暖宝宝,妥妥一个低功率版的核反应堆。


整颗地球的发热功率为442亿千瓦,相当于现在人类文明总功率的2倍。可喜的是,暖宝宝发热这么多年,可没浪费,都攒着呢!


凭直觉,你认为地球平均温度有多少?外层地壳,平均温度14度,薄薄一层仅占地球质量0.4%。下一层地幔,平均温度估摸1100度,占地球质量68%。最里面地核,平均温度估摸5000度,占地球质量31.5%。剩下的大气层不计。


这样算下来,整颗地球的平均温度有2300度。



没想到吧?地球其实是一颗温度高达两千多度的大球。要知道,核反应堆的最高温度也就一千多度,这尼玛就是一颗现成的核反应堆啊!


从地幔地核的成分看,比热按1计算,整颗地球蕴含的热量相当于5万亿亿吨标准煤。但是,根据热力学第二定律,你没法把所有热量都用来做功,而且你也不好意思把地球热量抽干了变成一颗冰球吧?


咱矜持点,砖家评估,当前可利用的地热资源只有总量的十万分之一,折合5000万亿吨标准煤,可奔小康5.5万年。


说个题外话,地球内部除了最里面的内地核,大部分是可流动的液体或熔融状态,也就是说,什么亚欧板块、美洲板块、太平洋板块之类的,都是浮在液体上的一层薄片。如果要推动地球,必须要把地热引到外界,或者往地幔里灌注特殊材料,使整个地球内部坚如磐石才行。不然发动机会把薄薄的大陆板块慢慢摁到岩浆里。


5.5万年,虽然比原先几千年多了一个数量级,但也不算富裕,咱继续。


潮汐能的本质


潮汐由太阳和月球引力引起,可以简单理解为月球吸着海水绕圈跑,当月球引力和太阳引力重叠时就是大潮,反之就是小潮。



很多人以为潮汐能不消耗能量,这显然违背了能量守恒定律,潮汐能本质上是地球自转动能和月球势能。潮汐能最终会因为摩擦变成热量而消耗,导致地球自转变慢以及月球不断远离地球。


潮汐能每天定量定点供应,极为不便,但却提供了一个清奇的思路:可以利用地球自转的动能发电,这算是地球妈妈最后留给我们的能量了。


这笔压箱底的家当非常惊人!这么说吧,世界上所有的石油煤炭天然气可燃冰,100%转化成能量来阻止地球自转,那么,地球自转周期仅仅只是减少2毫秒。


地球自转动能有2.57×10^29J,折合900亿亿吨标准煤,足够人类挥霍1亿年。


如果1亿年还嫌少的话,地球绕着太阳转的动能也不是不能考虑,公转动能是自转动能的1万倍,稍微用一点也不至于让地球掉太阳上。


开个玩笑,如果人类沦落到对地球动能、月球动能、火星动能敲骨吸髓,那还不如回到原始社会了。


其实,不管是恒星还是行星,动能都来自于早期的引力势能,比起化石能源算得上巨无霸,但在真正的土豪面前仍然是小儿科。


真正的能量土豪


按照当前的物理理论和宇宙模型,早期宇宙里飘荡的绝大部分物质是氢,氢原子抱团组成了恒星,恒星内部引力导致氢聚变,聚变产生各种元素和能量,元素和能量演绎出丰富多彩的世界,于是就有了我们。对天体演化有兴趣的盆友,请移步前文《天体演化:黑洞修炼秘籍》,红巨星、白矮星、中子星、超新星……一次搞清楚。


也就是说,能量来源于氢聚变,氢才是背后的大土豪。所以,地球上真正算得着的能源,是地壳中占比0.76%的氢。幸运的是,人类掌握聚变技术永远还需50年,因此地球上的氢几乎原封未动,咱们赶紧盘盘帐。


现在搞聚变都是瞄着最容易的氘氚聚变,万一搞成了,大海里有45万亿吨氘,足够我们奔小康50亿年。



50亿年也不算啥,真要急眼了,氢氢聚变也不是不可以,严谨点叫氕氕聚变。虽然技术路线不存在,但理论还是在的,搞点反物质把氕催化一下,弄出中子就能聚变形成氦核。别听到反物质就吓傻了,质子变中子叫逆β衰变,已经被实验观测到了。


这能把千分之七的质量转变成能量,终于,我们可以用到那个著名的质能方程了:E=MC^2


不过地球上四分之三的氢在水里,不能把水折腾没了,我们用剩余那四分之一做聚变,产生的能量相当于N吨标准煤,足够挥霍1亿亿年。提个醒,宇宙诞生才多少年?



即便把氢都折腾成氦,氦还能继续折腾成碳,碳还能继续折腾成氧……后面还有很多个亿亿年。


回过头看,人类诞生200万年,不过是消耗了化石能源的一个零头,化石能源不过是核能地热能的一个零头,核能地热能不过是聚变能的零头的零头……


也就是说,人类文明连地球能源的零头的零头的零头的零头,都尚未完全发掘,科技水平有多高,各位心里有数了吧。


太阳系的扛把子


感叹一下,从太阳系的视野来看,尽管人类胡吃海喝数百年,消耗的能源其实微乎其微。如果按当前的生活水平过日子,光是地球上的能源就可以挥霍到天荒地老。


但是,聚变搞定了,肯定要纵横太阳系,人均能耗必然蹭蹭涨。根据上篇《霍尔推进器》计算,月球出差相当于北京出差,按这种生活节奏,人均能耗少说增加1万倍,再加上星际探索等等,原本1亿亿年的储量,假设缩减到1亿年。


好了,1亿年后,物理学依然死亡,能源依然靠核聚变,怎么办?不用担心!


木星和土星,质量加起来是地球的413倍,而且75%以上都是氢。地球妈妈那点能源,到这儿都不好意思说零头了,只能算误差。


木星土星的氢含量是地球的1000万倍,就算物理学已死,也足够人类再挥霍NN年了,地球如果真要流浪,千万记得把这俩燃料罐带上。


下图左边第三颗是地球,中间两颗最大的是土星木星。



NN年后,物理学继续死亡,仍然不用担心。


太阳系的扛把子当然是太阳,别说木星土星了,太阳系里所有行星卫星彗星陨石全加起来,在太阳公公面前都只能算误差。太阳占据了整个太阳系质量的99.86%,而且,全是燃料。


换句话说,整个太阳系的能源几乎都在太阳上,地球那点家当不知道排在小数点后多少位!太阳对外辐射1秒钟的能量,就足够全球人民小康15万年,其中只有22亿分之一照到了地球,再其中的万分之一被人类利用,实在太浪费了!


于是,我们很难不把主意打到太阳这个大号燃料罐上,其中的巅峰人物就是弗里曼·戴森,于1960年提出的戴森球理论。


戴森球


在卡尔达舍夫文明等级提出之前,戴森就提出了能源与文明等级的思想。他认为,就地球上那点破能源,不足以支撑人类文明发展到高级阶段。一个高度发达的文明,必然是高能耗的文明,免不了要打恒星的主意。


太阳是一个实打实的聚变反应堆,造一个大壳把太阳围起来,就是大号的聚变发电机,这是戴森球的基本思想。



但是给太阳公公加外套可不是容易的事,力学结构不是现有理论可以解决的。于是,戴森球就演变成了戴森云, 不一定把太阳裹那么紧,发射一堆能量收集器,围绕着太阳转也行。



把戴森云整合成环状,就成了戴森环,还有戴森群等各种版本。



这些结构统称“戴森球”。


如何建造戴森球


人类利用太阳能有两种方法。


一是光伏发电,直接用太阳能面板把光能转化成电能,大家很熟悉了。



二是光热发电,用一堆镜子把太阳光反射到一起烧开水,然后用蒸汽推动电机发电。这个一般小盆友都没听过,但实际上已经有一些应用了。



本僧掐指一算,显然后者更合适。咱也不要贪心,只收集1%的阳光。


那就开干吧!


第一,选址。


在地球附近弄到1%的阳光,面积要有2200万个地球那么大,太费劲!咱离太阳近点。


早在1976年,美国太阳神2号就飞到了距太阳4343万公里的地方,2020年1月份,美国帕克太阳探测器将记录刷到了1867万公里,面向太阳一侧的温度达到了612度,帕克号按计划将在2024年12月飞近到616万公里,温度预计达到1400度。


今天的飞行器已经有能力靠近到太阳1000万公里以内了,考虑到温度、太阳风等因素,咱们将戴森球位置设定在距太阳1000万公里处。


第二,原料与能耗。


水星,离太阳最近的行星,由大约70%的金属和30%的硅酸盐组成,这些材料非常适合做反射镜。激光武器里的反射镜成分就是二氧化硅和金属,对某些波段的反射率可以达到99.9%,耐高温性能也是妥妥的。


假设每个反射镜发射到太空后展开面积1平方公里,加上通信、调姿发动机等必要部件,总重5000吨。反射1%的太阳光,需要12.6万亿个反射镜,合计6.3亿亿吨原料,不到水星质量的0.05%。


水星大气层稀薄,只要在地面建造大型电磁加速装置,就可以把反射镜加速到第二宇宙速度,直接发射到太空,很节能的。


所以,这本帐可以这么算:把0.05%的水星融化制成反射镜,并发射到太空,按水星比热1和第二宇宙速度4.4km/s估算,需要7*10^26J的能量,足够全球小康26.5万年。


这是一笔不小的开支,最好能在水星自筹粮饷。


第三,设计方案。


水星的太阳辐射功率每平米9000W,未来光热发电效率按50%计算,则一个反射镜就是45亿瓦。制造和发射一个反射镜的能耗是50万亿焦,相当于反射镜3小时产生的能量,再加上开采、提炼、运输、损耗等,按5小时计。


向水星发射一组自动化生产设备,这些设备可以利用反射镜的能量和水星的物质自我组装,像病毒一样繁殖。生产设备数量就会成指数增长,只需26轮,就可以在水星表面每平方公里建一座工厂,共7500万座工厂。


每座工厂制造一个反射镜需要5小时,则完成整个工程需要100年。要是等不及,还可以在太空建工厂,几十年内肯定妥。


第四,挥霍。


控制反射镜方向,就可以把1%的太阳辐射投送到指定位置,比如火星,于是,我们就有足够的能量把火星改造成宇宙飞船。


同理,把剩余的水星全都拆成反射镜,修建100个类似的反射阵列,就可以把太阳能量集中投送到太阳系各个地方,供人类修建各种超大型太空设施。


第五,庇护。


戴森球除了供人挥霍之外,还有一个重要意义。


太阳亮度大约每11亿年增加10%,这10%会让地球气温高到无法维持液态水的存在,地球生命都得烤成肉干。


我们必须在10亿年内解决这一问题,其中的备选方案,就是在地球和太阳之间修建戴森云,将多余的太阳辐射投送到其他地方,避免地球被烧沸腾。


太阳系危机


看起来形势还不错,只要守着太阳这颗无边无际的能源,地球上的危机都不叫事儿。但是,如果物理学始终无法解开空间密码,一旦太阳系遭遇致命危机,我们怕是只能带着太阳流浪了。


700光年外的猎户座α星,已经步入生命末期,即将在几百万年内发生超新星爆炸,到时侯会清空几十光年内所有生命,被它的伽马射线击中,即便在700光年外,不死也得脱层皮。幸运的是,猎户座α星自转轴与太阳系有20度的夹角,这个夹角使得地球与伽马射线爆擦肩而过,让我们还有闲心看个热闹。


可是,躲得过初一躲不过十五,150光年外的飞马座IKB星,也是蠢蠢欲动,8000光年外的人马座WR104星,正对着太阳系虎视眈眈……


终极大战可能来自40亿年后,咱们的银河系带着3000亿颗恒星,撞上了,拥有10000亿颗恒星的仙女座星系。



假设那会还有人类文明的话,如果我们不能躲到更高的空间维度里,就得推着自己的恒星,在一片混乱中,尽量避免与其他恒星相撞。


恒星发动机


这不是科幻作家拍大腿的产物,而是正经发表在2019年12月《宇航学报》上的研究成果。美国天体物理学家马修·卡普兰提出了一种可以推动恒星的发动机模型,称为“卡普兰推进器”,依靠现有的物理理论就能完成。


第一,建造一个戴森环。


第二,利用戴森环反射阳光到太阳某一点,使其加热到极高温度,从而掀起大量氢和氦。


第三,收集氢和氦,注入到聚变发动机内,变成两束高速等离子体喷射出去。


第四,其中一束向后喷射,作为推动太阳的动力,另一束喷向太阳,维持引擎和太阳的距离,防止引擎坠落太阳。



根据卡普兰的计算,这个引擎每秒燃烧数百万吨物质,可以在100万年内,将太阳系整体移动50光年,足够逃脱超新星伽马爆的击杀或恒星相撞。


要知道,对超新星爆炸、恒星相撞之类的预警时间达到上百万年并不是很难的事,所以卡普兰推进器能够应付大多数情况。



更妙的是,这种引擎从太阳薅了大量物质,反而可以延长太阳寿命,因为质量小的恒星燃烧更慢,太阳系保持宜居状态的时间会多出几十亿年。


几十亿年后,我们可以换一颗太阳,继续推着恒星走出银河系,穿越十大星系,游历整个宇宙!



想想是不是很激动?别急,真正的危机可能刚刚开始。


最近,天文学家发现1480光年外的天鹅座KIC8462852恒星的亮度在很短时间内快速下降,像是被什么东西遮住了,目前还没有靠谱的解释。



于是一群好事之徒就认为,是那边的智慧文明修建了戴森球,并把这类恒星称之为“戴森球恒星”,目前人类一共发现了2颗所谓的戴森球恒星。


地球上无数望远镜对着这颗恒星,希望能找到一个合理的解释。好在地球文明连化石燃料都没折腾明白,很难对1480光年外有啥想法。可他们要是被三体文明盯上,那就有意思了。


戴森球很可能会让太阳成为宇宙里的可疑恒星,想捞点能源可真不容易。


终极谜底


人们对于科学有一种近乎宗教般的迷信,总觉得未来科技可以解决任何问题,比如,超光速飞行,空间跳跃,时光倒流,一颗小电池提供无限能源……


但是,我们不得不做好另一方面的思想准备,万一科学是有边界的,有一些定律无论如何不可能打破,比如,动量守恒,质能守恒,瞬间移动,凭空变出一辆车……


这也许意味着,飞行永远只能靠扔东西,能源永远只能靠烧开水,宇宙间所有文明都会被死死限制在物理规则内。


科学,到底是不是无所不能?咱们这一代怕是见不到谜底了,真的好想向天再借五百年啊!


本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧

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