核聚变是人类文明从1级突破到2级的关键,然而,当下我们的文明只有0.73级。
天文学家尼古拉·卡尔达舍夫曾提出一个“文明等级”的观点,我觉得非常有意思,也表示认同。
一级文明是指能100%利用母星所有资源的文明,也被称为“母星文明”。
二级文明是指能100%利用所在恒星系资源的文明,也被称为“恒星文明”。(有科学家假设在太阳外围制造某个装置,不断吸收太阳能)
按照这个逻辑,三级文明的衡量标准就是100%利用所在星系资源,即“星系文明”。
虽然当下科技日新月异,但我们对地球资源的利用还不够,所以只能勉强被判定为“0.73级文明”。
二级恒星文明的大概设想,就是我们能尽情遨游在太阳系任何一个角落,并且有能力开发当地资源,俨然把太阳系当成了新的基地,一点点对其他恒星系进行探索扩张。
据估测,银河系有1000亿~4000亿颗恒星,所以从二级文明跃升到三级文明的难度,简直就是令人发指。
然而这一切的一切,都得从能源出发。
抛开飞船技术不谈,能源确实限制了人类的探索范围,就像古人,光靠双脚走路,一天24小时不停歇也只能在附近范围活动,但有了马之后,就能“一日千里”。
同理,我们走向星空深处,必然需要一种清洁庞大能源作为后盾。
什么能源呢?
只要头顶上的太阳不熄灭,它就是答案。
发展核聚变不是死胡同,而是全新的未来,为什么这么说,主要原因有以下几点:
1.核聚变符合清洁能源特征
地球上的能源有很多,例如煤炭、石油、天然气、风能、地热能等,但这些能源或多或少都有些缺点。
例如石油在燃烧后会产生一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、颗粒物、多环芳烃等。
但核聚变的主要产物是氦气,这种气体无毒无害且属于惰性,对环境没啥影响,所以核聚变在清洁属性上是拉满的。
2.核聚变的原材料足够多
普通能源跟核聚变没有对比意义,总不能宇宙飞船里加柴油吧,咱们拿核裂变的原材料来对比。
核裂变的主要材料是铀235和钚239。
铀在地球上已探明的储量约为5.9万吨,虽然储量看着不低,但提取工序复杂。
钚239的储量约为500吨,主要通过核反应堆生产,过程是铀239通过一系列衰变最终得到钚239。
从铀235和钚239的储量来看,都不足以支撑人类文明探索整个太阳系。
与之产生鲜明对比的核聚变中氢的同位素。
核聚变主要原材料是氘和氚。
氚在自然界中极其稀少,一般通过中子轰击锂来制备,可以忽视。
但氘不同,它在海水中特别多,每升海水中氘的含量是0.0156克,地球上所有海水中,氘的总量高达10亿亿吨。
就算如今地球上所有的核反应堆都用氘作为燃料,也能使用整整上亿年。
3.提取办法简单
从海水中提取氘的办法有很多,例如电解法、蒸馏法、膜分离法、低温精馏法、催化交换法等。
从效率和经济角度出发,吸附法和膜分离法是主流。
例如吸附法的原理是通过特定吸附材料对氘进行吸附,能耗较低。
4.核聚变能量庞大
核聚变的原理是两个较轻的原子核结合形成一个较重的原子核,过程中会释放巨大的能量。
1克铀235释放的能量,等于2.8吨标准煤燃烧释放的能量。
1克氘释放的能量,等于11.2吨标准煤燃烧释放的能量。
核聚变每公斤燃料,产生的能量约为10^14焦耳,是核裂变的四倍。
所以核聚变产生的能量,远超化石燃料和核裂变产生的能量。
核聚变需要解决的难题
目前来看,地球上这么多能源,如果说哪一种最适合用来探索宇宙,想必大家心中已经有答案了。
但以人类目前的技术,还没办法掌握可控核聚变。
核聚变需要的温度往往高达数亿度(10^8 K),如何让材料装置长期硬扛如此高温,确实是个难题,高温超导材料和面向等离子体材料仍然需要不断突破。
除高温外,人为制造可控核聚变反应,还需要极高的压强,并且需要长期保持,这个特殊装置难题也有待攻克。
核聚变反应堆人类已经研发出来了,虽然最长保持时间记录只有101秒,但我们已经看到了希望。
所以我认为,提升文明等级的关键在于核聚变。
核聚变并非不归路,而是未来。
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