未來能源B計(jì)劃：用一縷陽光拉著星艦飛向深空

從克拉克的太陽風(fēng)帆“Sunjammer”到霍金的納米小飛船，來自太陽的能量就像是一只大手，推著我們從這顆不起眼的星球走向遙遠(yuǎn)宇宙。

三千多年前，人類發(fā)現(xiàn)了煤，這些凝固在地底的陽光開啟了新的文明歷程，也給我們帶來了對(duì)太空能源的無盡想象。實(shí)驗(yàn)室中液態(tài)的陽光，在軌道上閃爍的太陽能電池板，以及包裹著恒星的戴森球，在星際旅行開始之前，我們先來聊聊關(guān)于燃料的那些事。

Raeka，銀河系認(rèn)證轉(zhuǎn)碼員，長期接受理性思維訓(xùn)練的文科生。曾在美利堅(jiān)農(nóng)村和不列顛古城游學(xué)，深受英國近代詩歌影響。在本條時(shí)間線上性格溫吞，但在星際旅行中，可能分裂為多個(gè)副本。

無論交通工具怎么進(jìn)化，對(duì)燃料的需求都是實(shí)實(shí)在在的，而不同級(jí)別的交通工具，用于推進(jìn)的燃料用量也不同。不是每個(gè)人都能像《回到未來》中的博士那樣，只用一些香蕉皮、廢易拉罐和樹枝就能穿越時(shí)空。即使是像“時(shí)間領(lǐng)主”那樣科技甩人類無數(shù)條街的種族，他們的TARDIS也得時(shí)不時(shí)跑到時(shí)間裂縫上“充電”。而星際飛船因?yàn)槿剂喜蛔愣l(fā)生一系列意外也是許多科幻作品中的經(jīng)典橋段之一。

當(dāng)我們面臨石油、天然氣等化石能源危機(jī)時(shí)，就在一天文單位之外，有個(gè)天然的核反應(yīng)堆，每小時(shí)輻射出的能量足夠整個(gè)世界用上一年。是時(shí)候給人類的能源未來制定一個(gè)B計(jì)劃了。

人工光合作用：收集液態(tài)的陽光

在人們還哼哧哼哧燒煤、燒石油的1940年，科幻大師海因萊因就在短篇小說《要有光》里設(shè)想了一種叫“光板”（light panel）的光電能轉(zhuǎn)換設(shè)備。發(fā)明之初是用作更高效的燈泡，像平板顯示器那樣直接把電能轉(zhuǎn)化為冷光，但小說的主角們很快發(fā)現(xiàn)，“光板”還能逆轉(zhuǎn)這個(gè)過程，利用光來發(fā)電。

今天的太陽能電池板已經(jīng)能將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化成電能，但這一時(shí)半會(huì)兒還不能完全替代傳統(tǒng)的化石燃料。如果能模擬植物的光合作用，把經(jīng)過數(shù)百萬年產(chǎn)生煤和石油的過程，壓縮在以小時(shí)計(jì)量的單位內(nèi)，不僅能緩解現(xiàn)在的能源危機(jī)，還能把燃燒產(chǎn)生出的二氧化碳循環(huán)利用，不用擔(dān)心碳排放超標(biāo)了。

其實(shí)，早在1925年，德國科學(xué)家就研發(fā)出了利用鈷或鐵作催化劑制造碳?xì)淙剂系姆椒ǎ⑶以诙?zhàn)時(shí)期曾作為石油的替代品，但由于技術(shù)局限，這個(gè)過程反而產(chǎn)生了更多的一氧化碳，混在一起的燃燒質(zhì)量并沒有好多少。今年4月，一份發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的報(bào)告公布了一項(xiàng)加州大學(xué)伯克利分校的研究成果，我們離液態(tài)陽光或許并不遙遠(yuǎn)了。這一“姍姍來遲”的發(fā)現(xiàn)，比挖到了一個(gè)大煤礦更加令人興奮。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的楊培東教授和他的小組提出了三種可能的人工光合作用方法，其中之一是將細(xì)菌與無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)合，利用納米粒子收集陽光，模擬自然界中的光合作用，在200小時(shí)近似于陽光的照射環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)0.38%的太陽能轉(zhuǎn)換率，這與綠色植物的功率幾乎相當(dāng)。最有可能實(shí)現(xiàn)的方案，則是給一種特殊細(xì)菌“喂食”氫氣，讓它們與二氧化碳結(jié)合之后“拉”出甲烷，這種太陽能到燃料的轉(zhuǎn)換率能達(dá)到10%。雖然還遠(yuǎn)不及海因萊因等科幻作家在小說中的設(shè)想，但至少已經(jīng)在“捕獲”陽光這件事上有了突破性的進(jìn)步。

自然界中沒有廢棄物，植物耗費(fèi)數(shù)百萬年才能把陽光、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為能源，而在實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家已經(jīng)能以數(shù)百萬倍的速度重現(xiàn)這個(gè)過程。也許不久以后，我們就不再需要修建巨大的石油鉆井平臺(tái)，也不用挖巨大的礦坑，去開采地底下的能源，因?yàn)槲覀儗碛幸黄恳簯B(tài)的陽光。如果當(dāng)成禮物送出去，不僅能照亮心中的文藝之魂，還能帶我們駛進(jìn)星辰大海，比一瓶子螢火蟲浪漫多了。

在近地軌道上，用微波輸送陽光

雖然太陽這個(gè)巨大的核反應(yīng)堆每年都將超過12萬兆兆瓦的能量照射到地球表面，但這之間畢竟相隔了一天文單位的距離，我們能真正接收到的這12萬兆兆瓦，是其中很小的一部分，更多的能量都消散在了茫茫的宇宙空間里，或者因?yàn)楣物L(fēng)下雨等大氣層波動(dòng)，而沒能最終落在地面上。解決辦法其實(shí)也挺簡單：把電池板送到地球軌道里，讓它們?cè)谔柕恼找麻W閃發(fā)光。

1968年，時(shí)任國際太陽能學(xué)會(huì)主席、美國航天工程師Peter Glaser就提出了這樣一個(gè)幾乎不可能的瘋狂設(shè)想：用一個(gè)城市大小的衛(wèi)星，從太空中收集太陽能，并以微波的方式傳回地球，用于驅(qū)動(dòng)地球上的設(shè)備。Glaser的想法太過大膽，以至于直到70年代國際油價(jià)飛升后，NASA才開始仔細(xì)看幾年前的計(jì)劃書。1979年，NASA對(duì)需要的技術(shù)和成本做了個(gè)估算，認(rèn)為3000多億美金的花銷實(shí)在是不值得，于是這個(gè)項(xiàng)目在開始前就被叫停。

但Glaser的設(shè)想從來沒有被遺忘，科技的發(fā)展和化石燃料的危機(jī)讓科學(xué)家們開始了新的嘗試。

2007年，大阪大學(xué)激光技術(shù)研究所把陽光轉(zhuǎn)化成了180瓦的激光能，不久之后，北海道的科學(xué)家也開始在野外測試，用微波的方式輸送太陽能。這兩項(xiàng)研究都是“空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)”（Space Solar Power Systems，SSPS）的一部分，由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）支持，預(yù)計(jì)在2030年將一個(gè)太陽能發(fā)電機(jī)送進(jìn)地球同步軌道，把100萬千瓦的太陽能轉(zhuǎn)化成微波或激光傳回地球表面，輸送到商用電網(wǎng)上，或以電解氫的方式儲(chǔ)存起來，產(chǎn)生的能量大致相當(dāng)于一個(gè)大型核電站的輸出量。

JAXA說，這一研究的優(yōu)勢十分明顯：在太空中，太陽的輻照度是地面上的5-10倍，采用這種方式后，地表接收的能量強(qiáng)度將是中緯度地區(qū)晴朗的夏日正午照射功率的5倍。另外，SSPS系統(tǒng)是真正意義上的清潔能源，可以24小時(shí)不間斷收集，還不用擔(dān)心刮風(fēng)下雨，看上去像是個(gè)近乎完美的方案。

負(fù)責(zé)人鈴木拓明說，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是“生產(chǎn)穩(wěn)定、廉價(jià)的能源和氫燃料，把價(jià)格控制在每度電6.5美分”，后期還可能與NASA和歐洲航天局合作進(jìn)一步開發(fā)空間資源。如果2030年這一太空發(fā)電站能建成，不僅會(huì)改變利用太陽能的方式，還可能為人類航天器飛進(jìn)深空提供更穩(wěn)定的燃料來源：不需要再專門回到地面來補(bǔ)充燃料，在近地軌道上就能“充電”。

星際加油站，收集恒星能去沖浪

當(dāng)“收割”了足夠的太陽能，就能向宇宙進(jìn)發(fā)了。不過等等，一艘飛船能攜帶的物資畢竟有限，人們花大價(jià)錢飛進(jìn)太空，可不是要拖著一大箱燃料去轉(zhuǎn)一圈就回來，還要裝食物、科學(xué)儀器、船員旅客和一些夾帶的私貨。最理想的情況，當(dāng)然就是像公路電影那樣，在路上臨時(shí)加油，在太空里，就是利用飛掠過恒星的時(shí)機(jī)補(bǔ)充恒星能。

到這一階段，人類就成了真正的“恒星收割者”，比單純把接收到的太陽能轉(zhuǎn)化成電能要高級(jí)多了。雖然目前連離得最近的太陽的能源都尚未完全開發(fā)，但人類至少可以在科幻小說和電影中在恒星的牽引下去沖浪。

例如《星際之門》中的“命運(yùn)號(hào)”就曾飛向一顆恒星來緊急補(bǔ)充燃料；《神秘博士》中也出現(xiàn)了專門開采恒星能的非法開采飛船；在《星球大戰(zhàn)》電影中，更是出現(xiàn)了一個(gè)“弒星者基地”，把從所在恒星系獲取的恒星能量儲(chǔ)存起來，并轉(zhuǎn)化成高強(qiáng)度的能量束，在時(shí)空中撕出一個(gè)裂口來摧毀行星。而最徹底地利用恒星能源的人造設(shè)備，大概要數(shù)“戴森球”了。

這是一個(gè)1937年就出現(xiàn)在了英國作家奧拉夫·斯特普爾頓（Olaf Stapledon）的科幻小說《恒星制造者》（Star Maker）中的概念。1960年，美國數(shù)學(xué)物理學(xué)家弗里·戴森正式提出了較為完整的理論。“戴森球”是一個(gè)包裹在恒星外的人造核融合反應(yīng)堆，由無數(shù)塊小太陽能電池板環(huán)繞組成，外殼只有幾英寸厚，用于開采恒星能，還可能呈現(xiàn)出環(huán)狀或殼狀等多種形態(tài)。

拉里·尼文的小說《環(huán)形世界》就描繪了一個(gè)類似的結(jié)構(gòu)，環(huán)形世界本身其實(shí)就可以看作是“戴森球”的一個(gè)“切片”。這個(gè)圓環(huán)寬100萬英里，直徑大約等于地球軌道的直徑，通過人工制造重力來繞著一顆恒星旋轉(zhuǎn)，并把這顆恒星的大部分能量都截獲下來，維持環(huán)形世界文明的運(yùn)轉(zhuǎn)。

拉里·尼文在小說中詳細(xì)描述了這個(gè)世界的構(gòu)建方式，甚至提供了具體細(xì)節(jié)。例如“環(huán)形世界”的拱門上有許多終界線，像移動(dòng)的墻一樣把黑夜和白晝分割開來。還有用于防止小行星碰撞的系統(tǒng)，在一塊非常堅(jiān)硬的板面下，是塑料一樣的海綿物質(zhì)，流星體撞上之后會(huì)被汽化，而板面本身也可以擋住40%的中子。雖然有這些工程圖一般的解釋，但就人類文明來說，短期內(nèi)想要修建這么一個(gè)巨大的圓環(huán)還比較困難。根據(jù)蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)肖夫提出的劃分文明層次的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)一個(gè)文明能建造“戴森球”時(shí)，它至少已經(jīng)達(dá)到了II型標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，可以充分使用繞行恒星的所有能源。

地球文明目前還處在0型的晚期，想要成為真正的“恒星收割者”，看上去還有些遙遠(yuǎn)。但說不定有一天，這些酷炫的設(shè)想就能變成現(xiàn)實(shí)，人類將有可能在太陽外面建一層薄薄的“肥皂泡”，讓星艦在這個(gè)巨大的核反應(yīng)堆的推動(dòng)下慢慢加速，最終去深空沖浪。

無論是在實(shí)驗(yàn)室里模擬光合作用，重現(xiàn)自然界中碳、氫、氧的舞蹈，還是在軌道上近距離“收割”陽光，想象一個(gè)利用恒星去沖浪的未來，那些令人著迷又蘊(yùn)涵著巨大能量的化學(xué)變化就發(fā)生在頭頂。加滿油，啟動(dòng)引擎，這將是一個(gè)新的冒險(xiǎn)時(shí)代。

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