chnnic 发表于 2023-9-19 14:47:21

在资源耗尽前,人类能开启星际时代吗,否则是否会被困死在太阳系?

说实在的感觉按照目前的尿性,石油再用上五十年老百姓就不太用得起了。可燃冰氢气太阳能海洋资源的开发又没听说有什么重大进展,前景似乎不太乐观?
而且要进行有效的星际旅行和开发,速度是死结,如果要靠冬眠才能旅行,就算能利用太阳能也是没有意义的
在动辄以光年计算的距离和时间中,外星资源的开采和运输成本就是个大问题,开采一份资源消耗的就是数倍资源,这样下去还是供不应求啊
其实最想说的就是,是否掌握不了空间跳跃技术,人类就只能在犄角旮旯里面藏着?

买太阳 发表于 2023-9-19 14:47:35

一、资源会不会耗尽

如果只是在太阳系过过所谓的“宇宙田园时代”的生活,资源是没那么容易耗尽的,太阳系的质量约2×10^30kg,不说戴森球,哪怕技术水平只能建一些大规模的太阳能发电阵列,也能让人类活得足够久。如果能实现聚变发电的话,光是月球上的氦-3,按照现在预计的储量就足够用10000年。(如果可控核聚变的科技树都点不出来,那无论是星际航行还是宇宙航行,对人类而言都是一件很困难的事情)
星际航行这个词,虽然目前很多人用它指代恒星际航行也就是宇宙航行,但是实际上最初这个概念是指代太阳系内的各星体间的飞行的。如果觉得人类不应该“困死”在太阳系内,所以星际时代是解决问题的方案的话,那么请看第二点。

二、宇宙航行的必要条件之一

提及宇宙航行,无法回避的问题就是动力,无论是科幻作品还是对此感兴趣的科学家,都提出了大量有关FTL的假说,但是,至少在现有理论框架和技术条件下,有实现可能的FTL手段还不存在。那么,速度问题就是宇宙航行或者说恒星际飞行不可避免的一个问题。
宇宙航行能够容忍的最低速度是多少?

http://picx.zhimg.com/v2-3b452c2f8451e4af51e94148501cafaf_r.jpg?source=1940ef5c

15光年内恒位置

距离太阳系15光年的范围内已知恒星共38颗,过气网红Gliese 581更是在20.4光年远的地方。(这么看来Osiris:New Dawn里的科研船飞了几十年结果就为了吃外星螃蟹烧烤好像有点惨)

http://picx.zhimg.com/v2-04d903368543c5c3f5747349b7b8cb73_r.jpg?source=1940ef5c

Gliese 581 系统和太阳系对比,据信Gliese 581d位于宜居带,可能存在生命

大航海时代人类航运、探索新大陆乃至于环球航行的时间短则十余天,多则数个月,这一航行时间对于太阳系内航行而言毫无疑问是非常理想,也是有可能实现的,在这样的情况下,人类将有能力高效地开采太阳系内的资源,并能在各个定居点间开展经济活动。
然而对于宇宙航行而言,航行时间被延长到了难以接受的地步。即使速度达到二分之一倍光速,到达最近的比邻星也仍然需要8年多的时间,而到达网红星系Gliese 581则需要足足40年。对于殖民者而言,这个时间好像也是能够接受的,但是即使如此,我们所面对的下一个问题,也是难以回避的,也就是动力问题。

采取近未来最可能实现的热核聚变作为动力,能量转化效率取70%,此时排气速度约1.5×10^7m/s,比冲1.5×10^6s,这一速度约为光速的5%。
严谨起见,我们此处采取广义齐奥尔科夫斯基公式也就是阿克莱公式来计算。

https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cfrac%7BM_%7B1%7D%7D%7BM_%7B2%7D%7D%3D%28%5Cfrac%7B1%2B%5Cfrac%7BV%7D%7Bc%7D%7D%7B1-%5Cfrac%7BV%7D%7Bc%7D%7D%29%5E%7B%5Cfrac%7Bc%7D%7B2%5Comega%7D%7D

其中 https://www.zhihu.com/equation?tex=M_%7B1%7D 为飞行起始时的质量, https://www.zhihu.com/equation?tex=M_%7B2%7D 为飞行结束时的质量,V为末速度,c为光速, https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Comega 为排气速度。那么,当V=0.5c时,质量比 https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cfrac%7BM_%7B1%7D%7D%7BM_%7B2%7D%7D 将达到约59049,即使在今天看来,这样的一个质量比仍然显得有些夸张,这意味着一艘同现代驱逐舰运载能力相当的飞船,其总质量将超过4亿3千万吨,而要在漫长的飞行时间里实现自给自足,这一吨位恐怕还稍显不足。不过请记住,每增加一吨的重量,就要增加额外的5.9万吨推进剂,而且,这还是在不考虑减速等问题的情况下得出的结论。

三、有关如何减少质量比

要使飞船质量比足够小,根据公式,不难看出有两个方式,一是采取更有效的推进手段,加大排气速度或者能量转化效率,二是让飞船飞的慢些,但是同时,需要大大提高飞船的自持力和可靠性。
事实上,根据钱老的计算,如果要在排气速度为0.05c的情况下使飞船加速到0.8c的速度,需要接近35亿的质量比,这样看来,在技术条件有限的情况下,提高系统可靠性和自持力的世代飞船也许会成为殖民者比较理想的选择。

四、不过是工程师的一点情怀



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钱学森《星际航行概论》第一章 星际航行与宇宙航行 1.8 阿克来公式

虽然我个人认为,哪怕只是充分开发利用太阳系,对人类而言也绝非易事,以至于人类更可能早在实现这种“田园”生活之前便已经走向衰退和灭亡,但是我仍然希望几百年、几千年后,会有人在类似这样的平台提问:在走向终焉之前,人类能实现FTL吗,否则是否会被困死在猎户臂?


参考文献:
1 钱学森. 星际航行概论. 中国宇航出版社, 2008.
2 胡永云. 关于太阳系外行星的宜居性. , 2014.

注释:
阿克莱公式中的阿克莱是谁——JacobAckeret,瑞士航空工程师

顺便,有人问这个0.05c的排气速度怎么来的,当然不是我信口胡诌的一个数据(笑),而是我偷懒直接引用了《星际航行概论》的中的结论

http://picx.zhimg.com/v2-0893c9cfba5d35f88387de44bef54cae_r.jpg?source=1940ef5c
还有实现热核聚变推进的可能,这个可能性还有“最有希望”不是我个人的观点,和我有没有信心没有任何关系。以这个问题的尺度来看,近未来可以是100年也可以是1000年,哪怕说10000年我觉得也没什么问题。当然我自己也说过,人类自我毁灭的可能性似乎都比实现可控核聚变要大那么一丢丢。
哦,还有一件事,广为流传的可控核聚变50年说终究只是个段子,看完笑一笑就算了,如果想拿这个说明问题的话还是省省吧。

附录      太阳系附近38颗恒星
1.比邻星 (半人马座 V645) (距离4.2421光年 视星等11.09)
半人马座α A/B(4.3650光年 星等0.01/1.34)
2.巴纳德星 (蛇夫座 5.9630光年 星等9.53)
3.Wolf 359 (沃夫359 狮子座 7.7825光年 星等13.44)
4.拉兰德21185 (大熊座 8.2905光年 星等7.47)
5.天狼星(大犬座 α) A/B (8.5828光年 星等−1.43/11.34)
6.鲁坦 726-8 A(鲸鱼座 BL)/B(鲸鱼座 UV) (8.7280光年 星等12.54/12.99)
7.Ross 154 (V1216 Sagittarii) (9.6813光年 星等10.43)
8.Ross 248 (HH Andromedae) (10.322光年 星等12.29)
9.波江座 ε(天苑四,εEri) (10.522光年 星等3.73)
10.Lacaille 9352 (10.74231光年 星等7.37)
11.Ross 128 (罗斯128) (室女座 10.919光年 星等11.13)
12.EZ Aquarii(鲁坦 789-6 ) A/B/C (11.266171光年 星等13.33/13.27/14.03)
13.南河三(小犬座 α) A/B (11.402光年 星等0.38/10.70)
14.天鹅座 61 (61 Cygni) A/B (11.403光年 星等5.21/6.03)
15.Struve 2398 A/Struve 2398 B(11.525光年 星等8.9/9.69)
16.Groombridge 34 A /Groombridge 34 B (11.624光年 星等8.08/11.06)
17.Epsilon Indi A/Ba/Bb (11.624光年 星等4.69/>23/>23)
18.DX Cancri (11.826光年 星等14.78)
19.τ Ceti (天仓五,鲸鱼座τ星,Tau Ceti, 11.887光年 星等3.49)
20.GJ 1061(11.991光年 星等13.09)
21.YZ Ceti (鲸鱼座YZ星 12.132光年 星等12.02)
22.鲁坦星 (小犬座 12.366光年 星等9.86)
23.Teegarden's star (12.514光年 星等15.14)
24.SCR 1845-6357 A/B (孔雀座 12.571光年 星等17.39/?)
25.卡普坦星(绘架座 12.777光年 星等8.84)
26.Lacaille 8760(12.870光年 星等6.67)
27.Kruger 60 A/B(13.149光年 星等9.79/11.41)
28.DEN 1048-3956 (13.167光年 星等17.39)
29.Ross 614 A/B (13.349光年 星等11.15/14.23)
30.Gl 628 (13.820光年 星等10.07)
31.Van Maanen's Star (14.066光年 星等12.38)
32.Gl 1 (14.231光年 星等8.55)
33.Wolf 424 A/B (14.312光年 星等13.18/13.17)
34.TZ Arietis (14.509光年 星等12.27)
35.Gl 687 (14.793光年 星等9.17)
36.LHS 292(14.805光年 星等15.60)
37.Gl 674(14.809光年 星等9.38)
38.GJ 1245 A/B/C (14.812光年 星等13.46/14.01/16.75)

不活 发表于 2023-9-19 14:47:57

这个问题其实是在问:有没有可能建成完全使用太阳能的各种工厂。
首先,使用现存的太阳能板对太阳能板相关制造工厂供电,是没有什么问题的。所以太阳能板供应不会断。光伏发电的两个制约因素一个是环保(生产时的污染和布置后对土地的破坏),另一个是效率(太阳能每平米1500J/s,光伏板效率10%左右,供给一个工厂需要的地表面积太大),但显然情急之下都不算事。
然后,太阳还能稳定燃烧一百来亿年。不如讨论下一次小行星撞地球前人类能不能够粉碎小行星。
最后,目前已知的最可能的(概率0到0.33%)直径超过一公里的小行星的撞击事件可能发生在2880年3月16日。在此之前,我们要是做不出可控核聚变电站,没有可以改变小行星轨道的技术的话,大概是宇宙文明史上的一个笑话了。
虽然直径一公里的小行星不足以毁灭全部人类,甚至可能都落不到地面(如果是冰质的,不过这颗可能是铁镍的),但是,八百年后还没办法保护自己免受这种威胁,其实挺丢人的。
共勉吧。

xiaohyy 发表于 2023-9-19 14:48:38

反对所谓“能源耗不尽”“人类消耗的能源相对于太阳来说微乎其微”的说法。
不论是太阳能也好,核能、潮汐能也好,都需要设备转化成人类可利用的能源,通常是电能。所谓能源耗尽,指的是,人类不再有能力增加此类设备。
是的。能源不可能耗尽,资源不可能耗尽,别说能源了,石油都不可能耗尽。问题是,开采的成本是逐渐增加的。
以制造电器设备所需的铜为例,其在地壳中的丰度只有60 ppm。一旦地壳表面的高品位铜矿耗尽,就只能开采那些纯度很低或者很深的铜矿——而这又需要消耗更多的能源。
所谓能源耗尽,意思是,制造能源设备所需的原料,开采耗能,就比设备采集和转换的能源多。
制造太阳能电池不只需要沙子,还需要煤炭,还需要氯,还需要磷硼,还需要玻璃和导线。而太阳能电池是有寿命的。目前阶段,太阳能电池的寿命内发电量刚刚超过制造耗能。
如果现在煤炭耗尽,那么就需要从植物中提取碳,加上这一份成本之后,太阳能电池的寿命内发电量就小于制造耗能了。这还是在地球表面方太阳能板的情况,要是放进太空,运输和电能传输又需要消耗能源。
造太空放置太阳能板,产生电能供应地球,这技术难吗?不难。现在就能做大。但是这个太空电池板从发射到报废,发出的电不足制造和发射耗能的百分之一。也就是说,用一百度电制造发射,能收获不到一度电。
要想将这百分之一提高到百分之百以上,需要漫长的科技积累。而科技是需要能源的。没能源做你妹实验。
事实上,所谓能源耗尽,同样包含了“科技增长带来的新的净能源增加,赶不上科技增长耗能”的意思,注意,这里的净能量是指前面提到的,设备产出的能源减去制造设备的耗能
硅基生物:科技天花板PS:评论区提到,目前阶段,太阳能电池的寿命内发电量,应该是超过制造用电量很多的。不过我不了解计算过程中是否考虑了散热成本和玻璃防护层成本。相关文献都是英文的,望专业人士指教。
如果我没记错,沙特应该是进行过大规模的太阳能城市建设,然后赔的血本无归,在此感谢狗大户进行的探索性实验。
大规模太阳能板的主要成本是防护层(玻璃等)、安装、清理的成本,硅的成本反倒很少。
太阳能的大规模安放区域应该具备几点:
1、非农牧区。
2、非寒带,热带或者温带的光照才够
3、无频繁的极端恶劣天气
4、尽可能不占据森林
很多人觉得沙漠是合适的太阳能板区域,但是沙漠的沙尘是的大问题,此外,太阳能板对阳光的吸收远大于沙子,大规模安装实际上会导致气候变暖。当然这需要极大的安装量,目前不需要考虑

zerosix 发表于 2023-9-19 14:49:29

在谈这个问题之前你首先要知道我们还有哪些能源可以用:
1,化石能源。包括石油 天然气 可燃冰 煤等等。其中可燃冰的已探明储量为7.6×10的18次方立方米,是地球上所有石油天然气和煤的总储量的两倍。目前中国“蓝鲸”号深海平台对可燃冰开采取得技术突破,技术成熟只是时间问题(为啥钓鱼岛不能丢,南海不能丢)。加之其分布广泛,占地球海洋面积的四分之一和冻土面积的70%。故其利用价值看好。所以,光化石能源都还够人类利用几百年。
2,几百年之后,化石能源告急的时候那应该就是原子能的时代了。这可不是现在的核电,而是可控核聚变。我相信人类在500年之内一定能熟练掌握可控核聚变,而且我说的相当保守,想想500年前人类是什么样子就知道了。
可控核聚变,这个优势可就大了,它最大的优势是资源无限。像红警输了作弊码一样,满屏宝石矿。它可以直接从海水里提炼氘作为原料,相比现在的核裂变用铀和钚,其储量可以用无穷来形容。一克氘聚变产生的能量是10的8次方焦耳量级,这远远高于现在人类已知的一切能量密度,比它高的只有正反物质堙灭了。这种储量足够人类使用上亿年。
3,如果上亿年人类都没有发展出星际航行的技能,那我想问,你们他妈都把技能点哪去了?全点房地产了吗?即便全点了房地产那你倒是造个戴森球啊,混的再垃圾 二级文明是有的吧?
4,通过上面3条可以知道,其实人类不大可能遭遇毁灭性的能源危机,顶多是短期吃紧,但长期是绝对充裕的,能源充裕那资源就充裕,我们可以利用巨量的能源在太阳系内开采资源。
在谈能源耗尽之前其实讨论一下人类能不能延续那么久更有价值。因为在能源耗尽之前有一万种威胁更大的危机能让人类灭绝,其中也包括战争,相比之下,能源根本就不是个问题。
所以楼主问题的答案是肯定的,资源耗尽之前人类一定会具备星际航行能力,前提是人类不灭绝于其他危机。

8月3日更新,今日新闻,给评论里那些唱衰可控核聚变的人看看,是,你们比全球科学家都懂,你们说不行那就是不行,一万年都不行!我高度怀疑知乎是不是小学生越来越多了,张口就来。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/40595242
中国可控核聚变突破101秒

ewf8336 发表于 2023-9-19 14:50:22

人类目前每年使用的能量啊,大约是5*10^20焦耳。折合电量,就是140万亿度电。

我国每年使用的电差不多5万亿度,当然了,应该还有差不多相当于十几万亿度电的能量没有用于发电,而是用于汽车啊、供暖啊之类的。

这个数字很恐怖了吧?5万亿度电,相当于2万亿人民币,好多好多吨煤。

然后呢?
然后…我们的恒星太阳,每秒钟(注意是每秒)释放的能量,足够目前的人类使用


800000年。
而太阳有大约20亿分之一的能量辐射给了地球,也就是说,太阳每年(注意是每年)给地球的辐射能量,足够人类现在的水平使用12500年。

单纯太阳能,就足够人类躺着进入太空时代了,只是看提取难度了。

我们目前使用的所有能源,除了核能、潮汐能和地热能,几乎全部直接或间接来自于太阳。

核能,尤其是还未能有价值的核聚变,如果成功,将取之不尽。
地热能,比较少,不占目前的能源序列前十。但是依旧取之不尽。地球内部的地热能是很恐怖的。

地幔地核的质量约等于6*10^24kg,温度平均3000度,比热容差不多一千焦耳每千克。这么一算,足够目前的人类用900亿年。

而太阳能,目前的利用也开始越来越多。
且不说快速增长的太阳能电池板,风车、水电站的根本能源也是来自太阳。用生物来固定太阳能(例如玉米),制造乙醇加入汽油中…
多种方式,多管齐下。

有人说了,人类的能源使用速度在与日剧增!
这是好事,如果有一天,我们的能源使用能力是现在的一千倍,那么将进入正式的K1级文明,开采太阳系内能源就不是不可能的了,那个时代,也就是开启星辰大海的时候了!

那么,为什么要节约能源呢?
因为科技发展,需要能源的地方越来越多,我们采集能源的速度与消耗能源的速度没法做确切的比较,还是省着用比较好,也算是为国家建设做贡献了吧。
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