穿越宇宙的电波
“生命從海洋登上陸地是地球生物進(jìn)化的里程碑，但上岸的魚再也不是魚了；同樣，真正進(jìn)入太空的人，再也不是人了。”這段《三體》中的臺(tái)詞，是關(guān)于人類飛向外太空后的想象。
在小說中，太空艦隊(duì)脫離地球流浪在太空，他們只用五分鐘就迅速建立了一個(gè)迥異于地球規(guī)則的新社會(huì)，用氛彈將另一艘飛船上的人變成了蛋白質(zhì)資源……當(dāng)然，這些都是作者對極端環(huán)境的一種個(gè)體想象。
不過，有一件事卻是可以肯定的，當(dāng)人類打算飛向外太空時(shí)， 需要改變的認(rèn)知和習(xí)慣比想象中要大得多得多。舉個(gè)例子，通過太陽光照來獲取能源，在地球上已經(jīng)司空見慣了。但離開了地球大氣層之后，人類面對的是一個(gè)極其寒冷的宇宙。
外太空的平均溫度僅僅比絕對零度高 3 攝氏度，也就是零下 270 攝氏度左右，衛(wèi)星以及國際空間站的設(shè)備都需要特別的防寒設(shè)計(jì)來保證工作。
那么，是不是也需要開發(fā)除了太陽熱能之外的資源來為未來的人類供應(yīng)能源呢？
類似的研究其實(shí)早已經(jīng)啟動(dòng)了。最近 AIP 出版的《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》刊登了一項(xiàng)新的研究成果，可以直接從寒冷的宇宙中獲得電力。
用“寒冷”發(fā)電：到底是怎么回事兒？
我們早已習(xí)慣了地球上鋪天蓋地的太陽能電池板，但它們都需要光照才能為人類提供電能。不過，最近美國物理研究所的科學(xué)家們研發(fā)了一種紅外半導(dǎo)體裝置，可以從超低溫度的外層空間中獲取能源，最關(guān)鍵的是，這種設(shè)備可以在夜間工作，即使是陰雨霧霾等天氣，都可以全天候運(yùn)行。
那么，它的物理學(xué)原理到底是什么呢？
我們知道，傳統(tǒng)的太陽能電池板是通過大規(guī)模的光電二極管組合而成，通過激發(fā)硅等半導(dǎo)體材料中的電子，從而將太陽光轉(zhuǎn)換為電能。
研究人員于是反其道而行之，利用“負(fù)照明效應(yīng)”，即光電二極管的“反向”操作，在熱量逃逸回太空時(shí)，通過在大氣層外布置的紅外半導(dǎo)體來收集輻射能量并將其轉(zhuǎn)換成電流。
論文作者、加州斯坦福大學(xué)的 Shanhui Fan 表示，就光電物理而言，在入射輻射和出射輻射之間確實(shí)存在非常美麗的對稱性。
而實(shí)驗(yàn)中捕捉到的可測量電流，也證實(shí)了這一概念的可行性，盡管功率小的可憐，只有每平方米 64 納瓦。
根據(jù)理論測算，目前的設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠產(chǎn)生每平方米近 4 瓦的電能，也就是實(shí)驗(yàn)效果的 100 萬倍，足以維持一些低功率設(shè)備和機(jī)器在夜間運(yùn)行。論文的另一位作者小野正(Masashi Ono)也表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論極限，接下來會(huì)繼續(xù)從材料等著手提升設(shè)備的性能。
當(dāng)然，相對于未來宇宙空間站的自我運(yùn)行和人類生活所需要的電力能源來說，利用太空的“冷卻輻射”來發(fā)電顯然處于剛剛開始的狀態(tài)，并且杯水車薪。
那大家可能會(huì)好奇，真的到了需要長期生活在宇宙的那一天，靠啥發(fā)電才是正經(jīng)事？
重新理解電網(wǎng)：
太空生存的電從哪里來
告別了地球生活最熟悉的水資源和煤炭發(fā)電，宇宙飛船和空間站還能依賴哪些能源什么維持運(yùn)轉(zhuǎn)呢？最重要的一件事就是，別忘了帶上核電站。
當(dāng)然不是地球上那種龐然大物，比如美國宇航局正在研發(fā)的斯特林同位素?zé)犭姍C(jī)，就是利用核電技術(shù)為未來長期太空生存提供電力支持的。
這種熱電機(jī)有點(diǎn)像超大號(hào)電池，可以被裝設(shè)在人造衛(wèi)星、太空探測器與無人遙控設(shè)備上，利用熱電偶陣列將一些恰當(dāng)?shù)姆派湫晕镔|(zhì)在衰變時(shí)釋放的熱量，轉(zhuǎn)化為電能。
理論上講，單一“核電池”可以為太空載具提供 10-20 年的電力供應(yīng)。并且具有完備的防護(hù)措施，以防止釋放給人體造成危害的輻射。
當(dāng)然，星際旅行時(shí)間往往都以百年計(jì)，咱也不能依靠“核電池”坐吃山空對不對？
我們熟悉的太陽能發(fā)電也必須有姓名。
在宇宙空間中利用太陽能資源，就不只是鋪上一堆太陽能板那么簡單了，需要設(shè)計(jì)一個(gè)密集的太陽能電池陣列。其中，太陽帆板(即太陽冀)被調(diào)整地面向太陽，一邊給宇宙空間站供電，一邊給蓄電池充電。在陰影區(qū)，則使用蓄電池供電。
目前用于發(fā)電的太陽能帆板都開始采用納米晶體和有機(jī)半導(dǎo)體材料來制作，前者性價(jià)比高且性能穩(wěn)定，后者更適合在太空的超低溫環(huán)境下運(yùn)行。
另外這些太陽能電池陣列都需要安裝少量推進(jìn)劑，以便克服太陽光壓、星體引力等因素造成的軌道漂移。還需要進(jìn)行合理的部署，以盡可能防范太空中的小型隕石、太空垃圾等的碰撞。
盡管目前研究人員正在努力開發(fā)新的同位素發(fā)電機(jī)，并試圖改進(jìn)鋰電池技術(shù)以支持在宇宙極端低溫環(huán)境下工作，更高性能的太陽能帆板也正在同步研發(fā)，試圖去往距離太陽更遠(yuǎn)的宇宙空間工作。
但很顯然，僅靠這些設(shè)備還是蠻難支撐起動(dòng)輒數(shù)百光年的宇宙飛行的。因此，“負(fù)照明”的太陽能發(fā)電技術(shù)固然能力還非常弱小，但誰知道未來它會(huì)不會(huì)成為宇宙空間能源技術(shù)中的重要成員呢？
說到這里，大家可能會(huì)問了，在地球上一個(gè)頂N的核聚變發(fā)電站，怎么就不配做“太空夢”了呢？帶上幾個(gè)能運(yùn)轉(zhuǎn)幾十萬年的“核反應(yīng)堆”，說走咱就走。
主要原因可能在于，目前人類還沒有辦法很穩(wěn)定地控制核聚變反應(yīng)在太空中作為能源供給。而且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都很大，不用幻想帶著它星際旅行了，在火星等未來人類的聚集地建造可能會(huì)更加合適。
宇宙航行需要怎樣的能源？
說到這里，我們可以大致總結(jié)一下，未來宇宙航行時(shí)可能依靠的電力系統(tǒng)究竟長什么樣子了？
首先，它必須高度可靠。在星際航行中，可能并沒有太多緩沖地帶，飛船和空間站中的設(shè)備，有些一定是完全不能斷電的，比如生命維持系統(tǒng)（冷凍艙），信號(hào)接收器，以及最低限度的照明。因此，供電系統(tǒng)也必須高度可靠，至少要能保證在發(fā)生故障后及時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)，或者有足夠的儲(chǔ)備能源支撐到降落。
因此，研發(fā)一些能夠在宇宙極端溫度下不間斷運(yùn)行的能源設(shè)備就顯得至關(guān)重要了。“負(fù)照明”冷卻發(fā)電的意義也在于此。
第二則是高性能。能夠與人類一起流浪宇宙的供電系統(tǒng)，不僅要確保足夠的使用壽命，比如飛往冥王星需要 10 年，飛出太陽系需要 20-30 年。 與此同時(shí)，還不能體積太大太重，給宇宙航行的速度拖后腿，因此供電設(shè)備的“能量密度”也就非常重要了。以目前的技術(shù)， “核電池”算是綜合實(shí)力比較高的選擇。
當(dāng)然，考慮到宇宙的特殊生存環(huán)境，供電設(shè)備還需要經(jīng)受超強(qiáng)輻射環(huán)境和極端溫度的考驗(yàn)。 比如金星表面能達(dá)到 460 攝氏度，而木星大氣層內(nèi)則有零下 150 度。除了在材料學(xué)上加強(qiáng)供電裝置的強(qiáng)度以外，利用宇宙中溫度不均衡、尤其是寒冷的情況來發(fā)電，看來也是很有前途的思路呢。
當(dāng)然，細(xì)數(shù)人類目前在太空生存上的努力和探索，有些可能是為未來保駕護(hù)航的技術(shù)“火種”，更多的也可能被時(shí)間證明是徒勞與失望。無論如何，如果走向宇宙是人類的終極宿命，那么希望這個(gè)壯闊而殘酷的旅程永不斷電。
總結(jié)
- 上一篇： 惠普CEO：Intel处理器缺货将使得A
- 下一篇： 看上了人家的工程师？传苹果正收购自动驾驶