能源利用
太阳的能量来自于太阳内部的核聚变,其所蕴藏的能量巨大,并且不断向外辐射。据粗略的估计,太阳每分钟向地球输送的光和热达250亿亿卡,换算成煤炭能源,大致相当于每秒燃烧667万吨煤所产生的能量。
图源:视觉中国
如果按一年365天计算,太阳辐射到地球表面的能量,相当于人类现有各种能源在同一年中所提供能量的上万倍。太阳能除了能量巨大,最关键是具有长久性。据目前太阳产生的核能速率估算,氢的储量足够维持上百亿年,那么相对地球,尤其对于人类而言,太阳能便是取之不尽用之不竭的能源。
当下,人类最广泛使用的太阳能技术有3种,分别是光伏(PV)设备,例如太阳能板通过半导体将太阳光直接转化为电能;聚光太阳能(CSP)发电厂,利用镜子将太阳光聚焦,产生足够的热能为蒸汽轮机或发动机提供动力发电;以及太阳能加热与冷却(SHC)系统,利用太阳的热能提供热水或冷气,以取代所需的电力或天然气。
与烧煤产生的能量不同,太阳能不会产生造成全球变暖的温室气体,是迄今为止最清洁的能源之一。在环境污染越来越严重的今天,这一特点极其宝贵。
当然,太阳能也存在着两大缺点,至少目前还难以克服,不然的话,太阳能早就取代石化能源了。
首先太阳能具有分散性,到达地球表面的太阳辐射总量尽管很大,但是能流密度很低,也就是说地球单位面积内所接收的太阳能较少。这就意味着在利用太阳能时,想要达到一定的转换功率,就需要面积相当大的一套收集和转换设备,系统造价较高。
光伏发电基地。图源:新华社
其次,太阳能存在着不稳定性。由于太阳能受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制,以及晴、阴、云、雨等天气因素的影响,到达某一地面的太阳辐射能量极不稳定,这给太阳能的大规模应用增加了难度。但长期来看,太阳能将是为人类文明供电的主要手段。
不过,即使我们能够将太阳辐射到地球上的能量全部吸收利用,几百年后一旦能源需求增长到上述极限了,怎么办?“戴森球”就是要试图解决这个问题。
1959年,曾担任爱因斯坦副手的美籍英裔理论物理学家弗里曼·戴森认为,如果人类文明能够延续足够长的时间,有一天必然对能量的需求会膨胀到利用其母恒星(如太阳)“全部”的能量输出。
因为太阳的辐射总能量,绝大部分都在无垠的太空中白白浪费了,地球依靠太阳的自然照射,能够得到其中的多少份额呢?戴森的估算大约是十亿分之一。
1960年,戴森在《科学》杂志上发表了一篇短文,提出了“戴森球”的想法:一个足够先进的行星文明,应该有能力建造一个球形结构,将自己和自己的恒星(太阳)包裹在里面,这样太阳的很大部分辐射能量,便可以被采集起来供该文明使用。此后人们就将这种想象中的球形结构称为“戴森球”。
戴森还认为,这样的结构在宇宙中长期存在,并且是能源需求不断上升的文明的逻辑必然。虽然“戴森球”的设想从提出至今已有60多年,但它的实施(如果可能的话)必定在极为遥远的将来。而人类发明的众多高科技,不就是从不断地畅想中产生出来的吗?
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