03.06 核聚變是不是人類在這個地球上唯一能讓我們離開星系的能源?為什麼?

繪心隨


人工可控核聚變是目前人類最希望突破的能源之一。

以核聚變發動機為能源是近期可能實現星際旅行的最有效的方式。

核聚變是太陽等恆星的能量來源,人類在上世紀已實現不可控的人工核聚變,當然是以氫彈這種不可控的方式。氫彈爆炸時,由原子彈引爆產生的高溫高壓實現點火,利用慣性約束高溫等離子實現輕核熱聚變,聚變能量在瞬間釋放。

對於人類來講,地球也並不能一直是我們平安家園,我們總要走出這個星系,去尋找更多的資源。那麼可控核聚變發動機就是人類實現星際旅行目前最有可能的方式了。

目前地球上,對於能量緩慢釋放的可控核聚變,難度主要在對高溫等離子體的約束,目前人類對可控核聚變反應堆的研究也有幾十年了。目前有希望的途徑是磁約束和激光慣性約束。磁約束目前各國研究喝多,常見的磁約束裝置是託卡馬克聚變實驗堆,世界上有美國,德國,中國,俄羅斯等國都建立了可控熱核聚變反應堆。當前都還處於基礎研究階段,可望在幾十年內取得突破。

核聚變也並不是人類星際航行的唯一能源,只是目前最可能突破和實現的能源方式。其他諸如反物質飛船,曲率驅動飛船這些目前尚在理論探索中,只能暫時出現在各種科幻作品中。


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量子實驗室


核聚變可以產生巨大的能量,但接近光速的飛行也需要巨大的能量。

而且接近光速飛行需要的能量,可能是核聚變也不一定夠的……

脫離太陽系很容易做到,旅行者一號已經做到了;之前的先驅者10號、11號也做到。他們都沒有使用核聚變。所以脫離太陽系基本是不需要核聚變的。

那離開銀河系呢?

科學家估計,要脫離銀河系,速度至少在500千米/秒以上,這個速度仍然是遠遠小於光速的。一個一千克的物質,要加速到這個速度,需要的能量,相當於1.39毫克物質釋放的能量,如果按照聚變效率1%來算,也只需要消耗139克的燃料(總重量的13.9%),所以仍然是可能的。

但這個速度其實是不夠的,因為人的壽命是有限的。銀河系的直徑是以十萬光年來算的,就算是用光速,也得十萬年。即便太陽系不在中心,也得一萬年才能走出去……

但好在根據相對論,只要速度足夠快,飛船裡的人就不需要那麼長時間。假設我們要求30年走出銀河系(飛船參考系),那需要多快呢?答案是:0.9999999倍光速左右。

要達到這個速度,一千克的物質,需要3332千克物質湮滅產生的能量。換句話說,你要推動一個飛船達到這個速度,同時得消耗飛船幾千倍的質量對應的能量,而這些燃料還可能得放到飛船上……

幾乎是個不可能的任務。


章彥博


有很大的可能是。

人類已經制造成功不可控的核聚變——氫彈,也製造出了核裂變釋放巨大能量的原子彈。但對於可控的核聚變,人類還一籌莫展。

我們知道單單太陽系的半徑就達到了1光年(包括奧爾特雲),那麼光尚且都需要經歷1年,何況人類這點微末道行。

無論是旅行者一號的17km/s,還是帕克太陽探測器的195km/s,看起來很高,很快,但對於宇宙來說,對於光速來說,實在是太慢了。慢到令人髮指,以旅行者一號如今的速度,想要完全脫離太陽系還需1.7萬年。

如今,人類普遍採用液氧—液氫、液氧—煤油、液氧—甲烷等航天燃料組合模式,但問題是,如此大的自重,本身就浪費了大量的燃料,而且火箭大多都是一次性的,用完了就在大氣層中摩擦燒成灰燼了,因此航天成本很高。

人類踏足地球之外最遠的土地就只是月球,這顆距離地球僅38萬公里的星球,地球的衛星。算是人類的一大步,但就更長遠來看,這僅是嬰兒學步挪出的一小步而已。

如果可控核聚變研製成功,併成功運用到航天產業中,那麼人類文明會向前邁出一大步,暢遊太陽系內部是很容易的事情,即便遠離太陽系也並非難事。

但目前的可控核聚變研究面臨著很大難題,就是人類還尚未發現能夠滿足核聚變可控運行的材料,雖然現在常用託卡馬克磁約束來進行核聚變實驗,但依然避免不了高能不帶電粒子撞擊反應壁的問題。維持核聚變反應的材料用不了多久的時間就得更換,所以,這是一個極其燒錢的項目。只有有一定實力的大國才能完成。

所以,任重而道遠啊,人類目前尚處在搖籃中,但不可能一直在搖籃中,為了人類的永續性發展,還得依靠科學家們的努力,不,應該是全人類的共同努力才行。


科學船塢


在宇宙中穿行,依靠的是不斷的補充動力源,任何一次性攜帶的燃料都不可能解決超遠距離的穿行,就如同你油箱再大,路跑的遠了也要找地方加油一樣。

太空中加油站在哪?

其實所有的有質量的物質都是油。

採用氫聚變發動機是靠譜的,因為這個宇宙最不缺的就是氫,前兩天發現的有人從太陽上抽取氫這事保不齊就是加油的,還不用刷卡,當然,這事真偽還不一定,大概的方向是對的。

但氫做聚變燃料並不是把氫噴出去,那太浪費了,核聚變產生的溫度才是寶貝,在足夠的可控聚變溫度下,將打掃來的各種小石塊、塵埃、小行星什麼的,加熱液化、氣化、等離子化以後,再定向的從後面噴射出去以獲得動力。

當然,僅靠邊走邊收破爛也不夠,畢竟大段大段的宇宙空間連破爛都沒有,那就只好規劃路線利用恆星系去補充,順道還可以整個彈弓效應,據說前兩天就有人這麼幹了一次,用太陽跳了一把,居然還沒繳過路費。

最理想的是利用黑洞,黑洞很敬業的不斷搜刮身邊的質量,搞出來個吸積盤,這可是個好東西,只要偷偷摸摸的撈一點,相信黑洞先生多半會睜一隻眼閉一隻眼的,不對,是全閉上,因為他黑嗎。

宇宙已經做好了各種準備,下面就看人類的表演了。


一名普通老百姓


核聚變是目前已知的、人類有望近期能夠掌握的革命性能源技術,一旦可控核聚變技術成熟,那麼我們就可以利用,比如拿來發電,拿來作為宇宙飛船的動力,這一切在200年內應該能夠普及。由此可見,核聚變也應該是這個地球上唯一能讓我們離開太陽系的能源,但是也不是絕對的。因為在新能源領域,還有潛在的能源,比如反物質推動、曲速驅動等,都是很有潛力的星際航行技術,只不過這些技術距離我們太遠,甚至連個理論基礎都沒有。

核聚變不一樣,工程樣機就擺在那裡,不論是德國Wendelstein 7-X,還是麻省理工託卡馬克聚變反應堆,都具備了一定的成熟度。德國Wendelstein 7-X已經開始運行,多次試驗證明其能夠輸出能量,其造價達到10億歐元,可以模擬產生恆星內部的極端環境,利用核聚變產生能量。核聚變技術距離實用化還有數十年的距離,因為目前的一些技術基礎還不能克服,核聚變反應堆主要兩類,一個是託卡馬克核聚變裝置,另一個是仿星器核聚變裝置,後者使用3D磁場控制,前者使用2D磁場來控制。

美國能源部物理學家和德國科學家對Wendelstein 7-X多次試驗表面,3D磁場控制的仿星器核聚變裝置安全係數更高一些,磁場在仿星器中扮演非常重要的角色。從目前看,核聚變當然是唯一能讓我們離開地球的能源,但距離離開星系還遠著,因為銀河系直徑10萬光年,依靠核聚變也無法飛這麼遠。


太空伊卡洛斯


目前,人類尚沒有把任何人造物體送出太陽系,而人類本身也沒有突破地月系,究其原因,最主要的就是因為能源問題,人類尚沒有有效的能源用於宇宙航行。

在動力學中,我們用比衝量來衡量火箭引擎效率,它的定義是火箭發動機每秒消耗單位質量推進劑產生的推力,或者是單位質量推進劑產生的衝量,單位是秒。比衝量越高,表示火箭發動機的效率越高。目前人類在航天領域普遍使用的能源是化學燃料,但這是一種非常低級的能源,能量釋放效率非常低。

使用化學燃料的火箭被稱為化學火箭,分為固體火箭和液體火箭,其中固體火箭的比衝量為290秒,液體火箭的比衝量則是300至453秒。在一些航天器上,我們還使用核動力作為能源,比如說著名的旅行者一號,就是使用核電池作為能源。目前人類使用的核能都是核裂變產生的能量,這種能量比化學燃料要高級,比衝量可以達到幾千秒。但是,核裂變火箭的推力較小,只適用於無人的遠距離航天器。

核聚變是人類在近期有可能掌握的新型能源,相比於核裂變,核聚變的效率更高。目前,人類往返火星需要四年,而如果使用核聚變火箭的話,將縮短至兩個月左右。相比於反物質引擎、曲率引擎等更加“科幻”的技術,核聚變有著堅實的理論基礎,雖然技術上還有一些問題,但它是最有希望實現的新能源了。


深空電報


人類發現火使用🔥的時間也不算太長,核聚變現在看來是最好的能源方式,但是我相信還有更好的方式,只不過我們沒有發現而已,最大的宇宙邊界在哪?外面是什麼?最小的東西是原子?還是更小的粒子?如果繼續往小處繼續發現呢?知道的越多越覺得自己無知。要發現的現象和定律多著呢!我們才剛剛開始。總覺得前面哪位仁兄說的什麼瞬移呀,什麼什麼的早晚會實現。電和電磁波從發現到現在多長時間?幾乎給人類帶來翻天覆地的變化,幾千年的發展幾乎抵不上現代幾十年的技術進步,幾乎指數性增長變化,最後束縛人類的只有想象力了。想動動手手指頭殺死一大片敵人,加特林做到了,想躺著睡覺到達千里之外,高鐵飛機做到了,想瞬間和萬里之外的人聊天,電話手機做到了,視頻聊天都不是事了,這些技術也僅僅是這幾百年內做到的,這些事情對於古人來說天方夜譚。不要以現在的技術條件來衡量將來的發展,未來,無限的可能。


好好學160769452


以目前的科學水平來說,核聚變確實是人類離開地球、探索深空最可能實現的能源方式,並且人類也正在做這樣的事。此外諸如蟲洞旅行、曲率引擎等等,目前來講只能在科幻電影中實現。


為什麼如此看好核聚變呢?

相比於傳統的化學火箭,核聚變動力更加持久。

我們目前航天用的都是化學火箭,不過它的能量效率很低,登月使用的土星五號火箭,起飛自重就達到了三千多噸,可以想象,如果要載人飛出太陽系,那得需要多少燃料?而且我們不能和旅行者一號比,它只是個探測器,飛了35年才脫離日球層,很顯然我們不能讓宇航員等35年

可控核聚變裝置又被稱為“人造小太陽”,因為太陽的能量就是通過聚變釋放的。如果我們能做到控制能量釋放的速率,並且一定要持續,之後再小型化應用到火箭上,那基本就算是成功了。

還有其他的推進方式嗎?

有,比如光帆、蟲洞、反物質引擎等等。

光帆就是利用光壓前進,此前霍金先生啟動過“突破攝星”計劃,打算繞一批微型探測器,靠激光加速飛到相距4.2光年的半人馬座a;

蟲洞就是抄近路,在兩點之間打開時空洞口,進行穿梭,目前來看,幾乎等於幻想;

反物質引擎,就是利用正反物質湮滅產生100%的能量做動力,這個比核聚變厲害多了,不過反物質的製作和儲存太困難了。但這並不妨礙科幻小說,對它的大量使用。

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賽先生科普


答:能源這塊,和我的大學專業聯繫挺緊密的,我來談一點我的看法。


可控核聚變,無疑是人類最迫切希望得到突破的技術,我們的科學家已經研究了半個世紀。要想實現星際航行,沒有可控核聚變的話,別說離開銀河系,就算離開我們太陽系都是很難的。

我們來分析一遍,目前人類的所有能源方式的特點。

一、傳統化石能源

包括煤炭、石油和天然氣,目前人類對化石燃料的利用已經達到了頂峰。

以目前的開採速度,全球的石油和天然氣還能供給50年,煤炭還能供給100年;對於中國,不從外進口的話,石油和天然氣時間縮短近1/5,煤炭稍微多一些。



化石燃料對環境汙染非常大,這也是化石燃料的詬病;化石燃料唯一的優勢,就是開採技術和利用效率,已經達到了很高的水平,技術可以說相當成熟。

化石燃料的特點,決定了它只能解燃眉之急,未來肯定是靠不住的。


二、水利發電和風能

之所以放到一起,是因為這兩個能源有很多共性,首先兩者都算是清潔能源,而且都是取之不盡用之不竭。



但同時,兩者都會對生態環境造成一定的影響,水利發電影響降水;發電的選址由地理條件決定,靈活性較低,現階段無法代替火電。

對於未來的星際航行,除非人類發明高效的能源儲存技術,否則對星際航行起不了多大作用。


三、太陽能和氫能(氫氣)

這兩個能源,算是清潔能源中的佼佼者,如果兩者同時得到突破,那麼人類在地球上的能源消耗,完全可以替代掉化石能源。



太陽能取之不盡用之不竭,氫能(氫氣)具備高能量密度,我們可以利用太陽能分解水得到氫氣,而氫氣方便運輸和儲存。

在太空中,太陽能更是源源不斷;但是,對於超出太陽系的星際航行,太陽能的獲取將大大打折。


四、其他新能源

比如可燃冰、生物質能、地熱、潮汐能等等,目前技術不成熟;但是也存在各自的侷限,可以作為未來能源的補充,要想成為人類能源的主導,不太可能。




五、核能

核裂變的最大缺陷,就是廢料的核汙染,而且地球上核裂變的燃料(鈾)也是有限的。

氫同位素的核聚變過程,沒有任何放射性廢料產生,釋放的能量比核裂變大,而且氫的同位素在海水中大量存在,完全足夠人類使用數億年。



如果以氦-3作為核聚變燃料(3He+3He→4He+2(1H),ΔE=12.860MeV),聚變過程就沒有中子產生,意味著不會存在核輻射,是相當清潔的能源,而氦-3在月球土壤中大量存在。


我國屬於能源大國,對未來能源的重視度可想而知。目前,國家大量扶持風力發電和太陽能發電,就是為了在未來擺脫化石能源的限制。

對於可控核聚變,關鍵的技術之一是核聚變的點火,目前主要方式有激光點火和磁約束點火(託卡馬克裝置)。



比如美國的“國家點火裝置”,就是研究激光點火;國際合作的“國際熱核聚變實驗堆計劃”,研究的是託卡馬克裝置點火;對於中國科學院等離子體物理研究所,也有自己的託卡馬克裝置。


可以說,無論從那種角度來看,核聚變都是人類現階段,有可能掌控的終極能源之一,人類要想進行星際航行,除了可控核聚變外,確實沒有更合適的能源能夠替代。

缺點就是可控核聚變技術,貌似遙遙無期,不知道我們這輩子能否看到?




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艾伯史密斯


核聚變不是唯一能讓人類離開太陽系的能源,反物質和物質湮滅釋放的能量更可觀,不過相比而言核聚變更容易實現,但依靠這些飛出星系可能性還是很小。

人類目前的航天,不管是固體燃料推進還是液態燃料推進,說白了還是用火,燃燒過程中的能量釋放過程,為火箭飛行提供了動力,攜帶的燃料質量就非常重要。所以目前有的國家就在開發大推力火箭,充填燃料後重兩三千噸,攜帶的燃料和內部空間更大。但燃燒這種方式對能量的使用效率是比較低的,並且由於火箭可攜帶的燃料有限,只能支撐飛船較短距離的加速,飛船速度太小的話,就難以飛出太陽系,更別提飛出星系了。

而核聚變和反物質湮滅釋放的能量就更加可觀了,據估計一升海水中的氘核聚變釋放的能量就相當於300多升汽油,反物質泯滅釋放的能量更加可觀,相比其他能源,它們可以讓飛船在攜帶質量較小燃料的同時經過更長時間的加速,如果能加速到光速的百分之一乃至十分之一,還是有可能在一兩代人的壽命內飛出太陽系的,太陽系半徑才1光年左右。而核聚變目前的研究已經取得了一些進展,可能百年內實現大範圍應用。

飛出星系就難了,通常它們的體積都十分龐大,直徑幾萬到幾百萬光年,光速都得飛幾萬年,靠這種方式死也飛不出星系。甭管曲速飛行還是其他操縱空間、引力的方式,那也得消耗巨量能源。大概只有蟲洞等才有可能,那需要人類對宇宙有更本質的認識。


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