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?

瞻云 2023-05-16 13:24:35
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/m^2,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(4πr^2),易知,照度随着距离的增加衰减,且衰减倍数与半径的平方 r^2 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/m^2。

这个照度依旧很高。

太阳直接看做黑体辐射,它的照度,相当于黑体单位面积的辐射通量。

E=B(T)=σT^4(W/m^2)

σ 为斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10-8W/(m^2·K^4),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 T^4 成正比。

由于照度随着照射半径 r^2 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,足以融化硅晶体。

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,我们尽量高的来预估:

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。

带入以上的公式,可以得到照射半径,相比起太阳半径增加的倍数为:

5.7^2=32.5 倍。

太阳半径为 6.955×10^8 m

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:2.26×10^10 m

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=1.28×18 m^2

常见光伏材料组件每平米12kg,单晶硅组件17kg/m^2。

那么需要的总光伏材料重量,可达到2.2×19 kg。

地壳质量2.6×10^22kg。

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,诞生新大的大陆)。

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:

2.2×10^15 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10^14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,必须是在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, 2.2×16 kg

地球上水资源的总质量为1.66×10^21kg。

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,不用消耗母性。

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,航天器子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,这个电站永远都建设不出来,在理论上就被彻底锁死了。

12 阅读:9697
评论列表
  • 2023-05-17 23:15

    拆了地球都不够给太阳做条皮带,你还想把太阳包起来?

    谷村一号 回复:
    自信点,拆了太阳系所有行星都不够给太阳做条皮带。[得瑟]
  • 2023-05-18 08:11

    你咋不上清华

  • 4746 27
    2023-05-26 06:01

    这工程我拿不下,我只能给太平洋加个盖子,你就忽悠我去给太阳做个壳儿?

    大郎不吃药 回复:
    这个工程我王多鱼投了
  • 23 14
    2023-05-17 00:31

    你是我见过算戴森球最精细的一个,

  • 2023-05-18 20:07

    感觉作者有点弱智,造不了那么大的,不能造小点么,可笑

    雄赳赳气昂昂跨过鸭绿江 回复:
    你这智商,我突然想起了一个小品
    困惑 回复:
    你的智商也不见得有多高
  • Fxb 9
    2023-05-21 03:27

    你得想一下 太阳面积事多少吧。得挖空多少个地球 才能造个壳子? 有那实力 我还去罩住太阳干啥。。

  • 2023-05-21 09:47

    作者还不如直接做个大锅,架太阳上烧开水更实际一些

  • 2023-05-19 11:00

    别逗了,就现在把地球地表面铺满太阳能发电的都足够整个世界用了,还去太空建啥!?

    000999 回复:
    [害羞][笑着哭]
    Qak-unsrel 回复:
    云层会影响电池板的热度,美女会影响你拔剑的速度
  • 2023-05-21 14:38

    等能造戴森球的时候,早就不是现在这些落后的技术了

  • 2023-05-29 03:34

    太阳本来就是纯能态,你用太阳来发电?这不是脱裤子放屁吗?

  • 2023-05-21 10:16

    有搞出戴森球的技术,可控核聚变都是小儿科

    谷村一号 回复:
    这就不只是技术问题,而是完全不实用,也不现实,太阳的质量占整个太阳系的99%,太阳系内的资源是远远不够用的,要想建造戴森球,人类文明的活动范围恐怕至少得是太阳系的数百倍,如果人类真能发展到那种程度,那还需要戴森球吗?戴森球吸收的能量能否覆盖那么大的范围?[得瑟]
  • 2023-05-26 10:16

    戴森球就是个搞笑的片子。

  • 2023-05-25 21:13

    把地球拆了都不够造个戴森球框架的。

  • 2023-05-27 12:34

    不要说包太阳,包围一下地球给地球降降温,顺便还能收集足够能量[笑着哭]

  • 2023-05-28 15:14

    怎么看都像是民科臆想,不在地球上解决能源问题,所有在外太空的设想都是空中楼阁

  • 2023-05-29 14:11

    要建设这种规模也只能机器人三D打印才行

  • 2023-05-17 12:06

    太阳就是核聚变的

  • 2023-05-18 21:57

    利用太阳能是只能在近日轨道,到火星就很少太阳能了。核聚变都可以在土星卫星上使用。有了核聚变,可以去更远的地方。

  • 2023-05-22 12:09

    有造戴森球的时间造个备用太阳不是更省事?想用就用不想用就关机!

  • 2023-05-29 20:57

    先把九大行星建房卖了才够钱做吧。

  • 2023-06-03 17:35

    中国银行的金库里面有那么多黄金,为何大家还要打工?

  • 2023-06-06 01:12

    成本什么的先不谈 核聚变主要用途是干嘛的?星际航行 怎么?你打算星际航行一路拖着一个太阳一起走啊?

    永烁星光 回复:
    说不定很久以后的飞船发动机里就能装个太阳……
    谷村一号 回复: 永烁星光
    可控核聚变就被称为“人造太阳”。[得瑟]
  • 2023-06-07 10:59

    把地球拆了估计都做不出一个戴森球

  • 2023-06-14 23:07

    以前我就想象过把所有的太阳光都收集起来汇聚成直径10米的超强光线是不是能达到瞬间让物体消失的程度。奈何人类目前造不出这种聚光器,于是我又想到了一种代替方法,就是研发超强激光武器,但目前最大的瓶颈就是能源问题,能源跟不上,就算研究出来了,还没亮0.0几秒就因能源不足直接失败了[笑着哭][笑着哭][笑着哭]

  • 2023-07-12 17:11

    没必要吧,把月球拆了做成太阳能板覆盖地球表面不就得了?

  • 2023-07-16 21:55

    这话说的可控核聚变就跟喝水是的。不知道在哪里高就?

  • 2023-07-18 00:08

    利用太阳能,不一定要建戴森球。戴森球只是一个能量利用量的大小来衡量文明程度的。以目前以及未来百年的能源利用量来讲,地球表面荒漠铺上太阳能就足够了。当然,为了更高效或者更多的获取能量,你可以在高空轨道绕地球建一圈那也足够了。既然是在对比聚变和太阳能直接利用,耗尽地球资源也难以建成戴森球,难道把地球全部烧掉就能获得同量的能量?两者不论是技术难度还是可利用的总量,太阳能都更具有实际优势和价值。

  • 2023-07-21 07:33

    人类发展地森球就有用不完的能量[得瑟][得瑟][得瑟]

  • 2024-03-21 12:39

    戴森球就是一个笑话

  • 2023-05-21 03:58

    核聚变都搞不定还戴森球,就好比你让石器时代的人造热武器。但凡有脑子的人都不会问出这种问题。

  • 2023-05-22 11:37

    不该什么能源都需要经济性。只有商业化才有前途。

  • 2023-05-27 16:23

    因为你对恒星的大小完全没概念,只在键盘上过瘾。[笑着哭][笑着哭][笑着哭]

    用户60xxx67 回复: 用户10xxx59
    太阳在太阳系里质量占99.7%,你想想地球那点质量能包啥?就算材料够,你觉得目前人类弄得出来?现在全球挖的最深处也就是苏联挖到14000米,还没挖到地壳,可是地球上金属材料都是在里面的,你怎么办?地表上面的材料你就是把地球围起来也不够更别说围太阳了
    用户10xxx59 回复:
    是你对地球体积大小没有概念吧,算过了,可以盖住,而且人家也说实现不了
  • 2023-05-29 03:12

    戴森球?[狗头]不说材料质量了,就说材料数量,那么多材料到哪去弄?[狗头][狗头]

  • 2023-05-30 00:39

    各位道友莫慌,等我成就大罗道果,给各位道友每人手搓一个太阳

  • 2023-06-13 00:55

    直接上戴森球?航天材料各专业能满足吗

  • 2023-07-18 16:30

    还没说怎么把发的电弄回地球啊!?你不会把给地球装个脐带吧?[呲牙笑]

  • 2023-07-19 14:30

    经过我反复推理,最终确认,引力与热生电有关。只要破解热生电瞬间产生引力的原理,就能创造引力,利用引力达到超越光速的速度!从而利用超光速引发的物质变化加速或者倒退的现象使人返老还童,或者变童为老!太激动了,我知道自己被某些“存在”关注了,因为这已经窥视到了“宇宙奥秘”的边缘,这些“存在”不可能让我继续分析下去。为了让世人解锁更多的“宇宙奥秘”,我愿意把我毕生精华奉献给后人,望广大基因良好的女性能与我联系,为地球创造更多的天才科学家。在这里,我简单的做个自我介绍:长,20公分!

  • 2023-07-22 14:21

    把沙漠都铺上太阳能池板就够了

  • 2024-02-24 12:45

    提出包裹太阳做泰森球的人难道进水了吧?先不说太阳系的除太阳外所有的抗高温材料够不够,光是安装技术和安装费用都远超你这个破球收集的能量,合算么?

  • 2024-03-15 00:33

    [得瑟]不是不想,是还没有能力。。

  • 2023-05-16 20:42

    是啊,为嘛不发展戴森球,跟放个屁一样轻松嘛

  • 2023-05-18 09:58

    废话

  • 2023-05-19 22:08

    太多地方太无脑了。太阳能量的十万分之一什么概率你知道么?你想靠核聚变达到这个量级的能量,你把地球烧完了都不够。不要总想一口吃成个胖子。在把太阳包起来之前,不会考虑先围着地球建?要知道几分钟地球接受的太阳能就足够目前人类一年的使用量了。给地球轨道套一圈,至少在可预见的未来完全有能力实现,哪怕只是很少的一圈,也足够人类使用了。另外,太阳能发电没你想的那么低,晶硅都有20%以上了,这是实际值,不像你乱七八糟一顿减只剩5%,而且还有高达35-50%的薄膜组件也获得突破了,只是目前成本太高而已。最后,人类往太空的运输能力,不仅要看目前的运力,还要看需求。目前一年20艘量级,不代表只有这个能力。

  • 2023-05-20 18:29

    小编你是来秀智商的么

  • 2023-05-21 11:31

    你在说笑吗

  • 地球本身的热能好好利用,就算是无限资源了,不过这不符合资本利益

  • 2023-05-21 08:39

    戴森球带不走,不方便

  • 2023-05-22 17:36

    文章不错,但要校对字,有些字肯定是错了,比如2.2X19kg,应续是2.2x10^19kg,母性应该是“母星”

  • 2023-05-29 16:24

    把金星拆了做戴森球,不过有那水平的人类大概不缺能源

  • 2023-05-29 22:08

    再给你一千年时间,你也造不出戴森球

  • 2023-05-31 16:04

    太阳系质量的99.5%以上都是太阳,你去哪里找材料?

  • 2023-06-14 07:31

    唯一的一条路就是核聚变,因为没人开拓新技术所以只能吃老本。

  • 2023-07-11 08:44

    不解决能源问题的假设都是耍流氓

  • 2023-07-16 13:15

    民科大神,你既然不看好别发uc,写信给nasa

  • 2023-07-20 13:23

    戴森球,需要的造不了,造得了的不需要[得瑟]。[得瑟][得瑟][得瑟]

  • 2024-04-04 14:36

    橘猫:别逗了,我都烦死!

  • 2023-05-19 17:28

    扯犊子,为什么人类不发展使用宇宙黑洞的能量?

  • Aaig 1
    2023-05-19 16:53

    真特么的弱智,别说能不能成功发射你说的这个装置,就是发的电能是如何传回地球的!

  • 2023-05-22 16:27

    使用烧水大法,成本要小得多![得瑟]

  • 2023-05-22 22:26

    感谢分享[鼓掌]

  • 太空都不好上你搁这谈戴森球?再说了,戴森球以恒星为核心,走不远,核聚变是便携高质量能源,把太阳拆了取聚变材料不比戴森球强?有建完整戴森球能力的时候暴力拆恒星也不难吧[吃瓜]。关键还是戴森球在宇宙中没聚变燃料走得远,当然有木星在不会缺聚变燃料也不用拆太阳,不缺能源的时候太阳对地球生物圈的作用可太大了,整了戴森球还要搞人造太阳,麻烦不麻烦啊

  • 2023-05-30 12:46

    先做人类能做的太空太阳能发电站呗, 提供能源, 太空冶炼 , 用来给光推飞船光推 。研究核聚变是人类还没能力推动太阳[哈哈笑]

  • 2023-05-30 09:02

    把木星拆了试试,看能不能盖得住

  • 2023-07-14 01:22

    为什么他们可以造戴森球?[呲牙笑]如果戴森球是真的,那你这个算法一定是错误。如果戴森球是假的那你这个公式也会是假的,论证完毕。

  • 2023-07-19 17:21

    哪个难度大都不清楚嘛[笑着哭]

  • 2023-07-20 11:45

    先建一个10万米高的电梯,方便把材料送上去,也方便把能源送下来[呲牙笑]

  • 2023-07-21 12:49

    人又多大产,地有多大胆[呲牙笑]

  • 2024-04-19 07:40

    你把太阳一遮,其他外星文明立马就能发现你,然后总有几个回来搞你

  • 2024-04-19 10:14

    戴森球就是个伪命题!没有那么多物质来造这玩意

  • 2023-05-18 09:11

    啥也不是

  • 2023-05-18 09:27

    核聚变是终极解决方案

  • 2023-05-18 23:07

    挖呀挖呀,把金星挖空。还想挖地球[笑着哭][笑着哭]

  • 2023-05-22 11:40

    新能源有商业化才有发展。核能源是二次大战后才产生的。

  • 2023-05-27 08:38

    何不食肉糜?

  • 2023-05-28 23:10

    为啥人类需要呼吸氧气

  • 2023-06-04 20:56

    你为什么不吃鹅肝吃到饱?[汗]

  • 2023-06-05 19:58

    如果花这么大代价给太阳搞个戴森球,人类文明就只能永远绕着太阳而存在了,这不是作茧自缚么?还是可控核聚变灵活且用途广泛。

  • 2023-06-09 16:00

    用地热不香吗?[得瑟]

  • 2023-06-16 00:14

    太阳不是稳定的,一个耀斑喷发你那比蛋壳还脆的玩意就没了。

  • 2023-06-19 15:17

    人类专想不实际的东西

  • 2023-07-17 18:56

    “那么需要的总光伏材料重量,可达到2.2×10^¹⁹ kg。 地壳质量2.6×10^²²kg。”,换个思路:地壳质量是重量的2600/2.2=1182倍,即重量是地壳质量的1/1182。

  • 2023-07-21 21:43

    戴森球?地球都还围不过来就想围太阳?就现在人类的科技水平,还差2铬文明等级……

  • 2024-03-17 15:04

    [得瑟]纯科幻概念有什么好说的?[鼓掌]这和说修炼成大罗金仙一拳打爆一个星球有什么区别[得瑟]

  • 2024-03-18 14:30

    民科

瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者