太阳能量那么庞大，为何人类不死磕核聚变？

本文来自微信公众号：瞻云（ID：zhanyun2028） ，太阳作者：瞻云，量那庞原文标题
：《太阳万分之一能量就很庞大
，何人核聚为何人类不发展戴森球，死磕死磕核聚变？》，太阳题图来自：《太空旅客》有人提问：可控核聚变与在近太阳轨道上利用太阳能，量那庞哪个会更早到来？

问题描述：我对可控核聚变总是何人核聚持有悲观态度 ，且不说永远的死磕五十年，单就现在的太阳一些信息来看 ，还没有什么Q能大于一的量那庞反应堆装置 。而且大于一也只是何人核聚一个开始 ，真正能够达到商用目的死磕，至少要大于10。太阳而太阳本身也是量那庞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何人核聚太空太阳能电站 ，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/m2 ，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（4πr2），易知，照度随着距离的增加衰减，且衰减倍数与半径的平方r2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/m2。这个照度依旧很高。太阳直接看作黑体辐射 ，它的照度
，相当于黑体单位面积的辐射通量。E=B（T）=σT4（W/m2），其中σ为斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10-8W/（m2·K4），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T4成正比。由于照度随着照射半径r2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，足以熔化硅晶体 。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 ，我们按尽量高数据的来预估 ，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。代入以上公式，可以得到照射半径
，相比起太阳半径增加的倍数为 
：5.72=32.5倍
，太阳半径为6.955x108m
。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 ：2.26×1010m。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=1.28×18m2。常见光伏材料组件每平米12kg，单晶硅组件17kg/m2。那么需要的总光伏材料重量，可达到2.2×19kg 。地壳质量2.6×1022kg 。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 ：2.2×1015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1014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， 2.2×16kg。地球上水资源的总质量为1.66×1021kg 。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 ，不用消耗母星的资源。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之一的电能 ，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，可以为人类未来的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。实际上，这个电站永远都建设不出来，在理论上就被彻底锁死了。本文来自微信公众号：瞻云（ID：zhanyun2028），作者：瞻云 本内容为作者独立观点 ，不代表虎嗅立场。未经允许不得转载，授权事宜请联系 [email protected]