太阳能量那么庞大,为何人类不死磕核聚变?
2023-05-29 12:37

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

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