在当前可再生能源发展的趋势中,可控核聚变被广泛视为一种未来清洁、高效的大型能源开发方案。
然而与此相比,我国也加强了太阳能发电站的建设,并在一些地区的荒漠中出现了大片的光伏阵列。
但这只是陆地太阳能电站的实现形式,若将其移至太空并围绕着太阳建造一个“戴森球”,这必将是一个人类史无前例的伟大工程,答案不禁让人心生向往。
但现实是,我国并没有这个计划,而是将全部精力投入到实现可控核聚变能。
那么,建设一个戴森球与实现可控核聚变技术,到底哪个更可行?
人类又为何更偏向于研究可控核聚变?
戴森球的概念最早来源于美国物理学家弗里曼·戴森于1960年提出并在《科学美国人》上发表了一篇名为《大能量的私有化》的论文,其中提到过宇宙文明随着科技不断发展,逐渐消耗掉了母星上的所有能源,便会向宇宙深处进发并如葱茏般地环绕恒星建造一个巨型能源采集装置,即戴森球。
因此,这一设想后来被称为“戴森球”,并成为许多科幻作品如《星际迷航》《星际穿越》等等的背景设计。
其基本构思便是围绕着恒星建造一系列无数个采集能源设施,这些设施可以是行星,更可以是空间站或其他结构,距离恒星越近所获得的能源便越多。
但这也意味着,建造戴森球所需要的材料也要越厚重、越坚固,以防止被恒星能量的巨大冲击波摧毁。
戴森球的实现难度大致分为材料学、工程学、经济学和能源学四个方面。
在材料学方面,因为戴森球所要消耗的材料体量极大,所以需要一种极为坚固并且重量更轻的新材料。
而且在恒星附近的高温高热环境下,这种材料既要能够耐高温,又不能因为恒星的强烈辐射而软化或融化。
在工程学方面,建造这样一个大型工程需要进行材料的运输和加工,但在宇宙中进行这样的活动既耗时又耗力,而且资源的消耗同样巨大。
经济学方面则考虑到这一庞大投入的成本,社会是否具有建造这样一个设施的动力。
即使得到了足够的能源,带来的积极效应是否会抵消资源的消耗和成本等问题,同样阻碍着这个构想的实现。
在能源学方面,还需考虑戴森球所收集的资源是否能够被利用和存储。
如果不能被利用和存储,同样没有收集的必要,因为恒星的能量本身就是巨大的,戴森球所收集的可能还不及恒星所释放的一部分多,导致最终成为“白白浪费”的收集和储存。
但实际上,没有哪个文明能够同时实现戴森球的建设,因为这是一个比整个文明都要耗费更大物质和时间的工程,哪怕是宇宙最发达的文明也无法做到。
而且戴森球的设想有两个问题,即当吸收一定能量后,这些能源如何处理以及戴森球所要消耗的材料体量过于巨大。
在建造一个戴森球的过程中,首先要消耗掉相当于一颗行星的物质质量能量,其次这个质量甚至相当于地壳质量的1/310。
在这个过程中需要用到哪些材料,才足够建造一个戴森球?
在整个建设过程中又要消耗掉多少物质质量,才能支撑这个过程的进行?
这是法拉第提出的“戴森球”设想的第三个问题,因为在集聚能源的过程中将会产生大量的废热,这些能量和热量在太阳辐射能量的同时爆发出来,如果不进行处理,那么会影响地球上生物的存活。
而且戴森球所围绕着的恒星并不是地球,而是太阳,也就是说戴森球将会围绕着太阳,在太阳的引力下将其固定。
但假设在完成戴森球建造后,这些大量的废热该如何处理?
因为戴森球周围的环境温度由恒星发射能量辐射而来的热量,在这样的环境中,戴森球只能将能量转化为其他形式才能释放掉这些热量。
然而如果让它们释放出来,那么周边的环境温度将会越来越高,甚至在极限的情况下,环境的温度无法承受废热的释放,那么戴森球便会被“烤”毁。
如果不释放,那戴森球又有什么意义?
所以说戴森球在理论上并不成立,甚至它本身就是一套理论物理模型,在现实中几乎不可能实现。
核聚变是宇宙中能量释放最强的一种反应模式,在宇宙之初,正是广袤宇宙中的无数核聚变反应才使得宇宙逐渐变得浓厚起来,形成了一颗颗星星,才有了黑洞、星云等等许多我们熟悉的天空中的景象。
也正是因为核聚变反应释放出来的能量极为庞大,甚至一粒金属能够产生足以推动一艘宇宙飞船的能量,所以我人类才对这一反应展开了研究。
同时,这一反应也存在许多优点,首先核聚变是可再生的,原料来源于氢元素,而氢元素的分子几乎无处不在。
其次,核聚变产生的废物极少,也不容易被作为核聚变材料的氢元素排放到自然环境中造成污染。
核聚变过程不需要电力作为后盾,而是靠自身提供能量和热量,便会产生极大的热量,最后便可以通过蒸汽涡轮发电。
但想要实现可控核聚变仍需解决许多技术难度,首先是高温高压的问题。
因为要想氢元素进行核聚变,首先要将氢元素的分子碰撞到一起,这样在碰撞过程中就会产生能量,核聚变从理论上就会实现。
但这需要将氢加热到一亿度以上,并且在这个过程中的温度是极高的,这个高温除了可以让氢分子碰撞产生核聚变能量和热量外,还会将整个氢分子加热到一种极高的温度。
这导致我们不可控的同时还会将整个过程的物质加热到超高的温度。
不仅如此,这还会造成温度进一步升高,甚至高温会爆炸。
所以在整个过程需要做到高温高压,然而高温高压又会互相制约,这对我们整个过程的实现难度极大。
其次就是粒子束加速问题,因为核聚变是靠粒子之间的碰撞而产生的核聚变,只有粒子束加速到一定条件下才能产生。
在距离太阳只有10个太阳半径的位置,即使是光伏发电,材料所耐受的温度也高达1802K。
更别说要在更近的地方,只需要相较于太阳的距离缩小一点点,材料所承受的温度便会爆炸升华,甚至融化。
所以想要实现可控核聚变的过程中同时还要处理材料承受高温的问题,只能不断摸索,寻找适合的材料。
然而在当前条件下,我国仍未实现一项Q大于Q1的可控核聚变核聚变反应堆。
何况我国的商用目标需要大于Q10,如今我国所做的已经是碾压式的领先世界的地位,若能实现Q10的条件自然是万事俱备,只欠东风。
但当前的条件和技术上却还不能实现。
加之众多技术上之前没有的沉重阻碍,甚至如碳纳米管、石墨烯等一系列超级物质都无法将其加以应用,这些物质的理论性能数据已经是惊叹的存在,但并不代表技术上可以实现。
既然戴森球在实现上非常困难,那人类为何不发展出一个更加广阔的领域,在实现可控核聚变的同时又不需要研究戴森球呢?
这是因为戴森球在构建过程中是一系列光伏发电的过程,而光伏发电本质上就是将太阳能转化为电能。
这是一个相对成熟的技术,但是真将其建造成一个大的规模还是需要一个相当漫长的时间。
就像我国光伏电站一样,在荒漠中铺排着黑色的“光伏板”阵列,经过太阳的照射能不断将太阳能转化为电能,然后将其并入电网。
在这一过程都需要大量的土建工作,不仅需要周期漫长的时间,而且这还需要占用大片土地和资源,如果要实现太空太阳能电站,所占用的面积更大。
若要在太阳系中建造一座太空太阳能电站,甚至在距离太阳不远的地方,首先要考虑整个过程的时间。
根据估算,建造一个环绕着太阳的戴森球需要10^14年,这一时间甚至大于宇宙自身的年龄。
现今宇宙的年龄只有138亿年,在10^14年中甚至包含了数十亿年。
其次,从材料上考虑,戴森球所用的材料需要在这些年中将其从宇宙中进行提取和运输。
地球周围有许多的陨石带和行星带,其中的金属含量非常巨大。
但就人类目前的技术水平进行开发和运输将会需要漫长的时间。
如果人类便一直在致力于此,不断进行开发和运输金属,那么这和死磕可控核聚变相比毫无意义。
其次就是在建造材料方面,戴森球需要建造在距太阳只有10个太阳半径的位置,在这个位置需要消耗掉地壳质量的1/310。
而在这个位置,材料的温度极高,这些金属材料更不适合进行光伏发电。
因为光伏发电的基本构造是光电池,光电池的材料除了需要有优良的导电性能,更要有好的能量转化率,一个最优质的光电池的面积能达到20%。
但在太阳的辐射下,这些光电池很快就会变成一个“焦炭”,所以光伏发电几乎不可能。
其次就是戴森球收集的能量更是一个极大的难题。
因为在戴森球收集太阳能的过程中,电能只消耗掉其中一部分,其余部分根本无法存储,因为无法存储,所以这部分电能就会化为热能,最终导致戴森球的温度持续升高。
所以,建造一个戴森球的优势远不如研究可控核聚变来得方便。
可以说,如果人类能真正掌握可控核聚变技术,便是能源充足更是没有污染。