[What if]第7期:人类迁徙计划 (feat.译者补完篇)

原作:xkcd

翻译:Ent

我们有足够的能量,让现在的全部人类都离开地球吗?—Adam许多科幻电影里都常见到一类场景:因为污染、人口过剩、热核战争,人类放弃了地球。

但要把人类弄进太空可相当困难。假设人口并没有遭遇急剧减少,那把全人类都发射到太空中,物理上是可能的吗?咱甚至可以先不着急考虑要去什么地方——就假定我们不需费心找新家,只要不留在地球上就成。


要想知道这是否可行,我们可以从最小能量需求开始:每人40亿焦耳。这是最低开销,没有讨价还价余地的。不管我们用什么手段,火箭也好,地球大炮也好,太空天梯也好,把65公斤的人或者65公斤的任何东西移出地球的引力井,至少也要花费这么多能量。

引力势能=1/2 * 65kg * (地球逃逸速度)^2

使某个物体脱离地球所需的能量,等于它以地球逃逸速度运行时的动能。

40亿焦耳是啥概念? 这大概是1兆瓦时或者1000度电,相当于一个普通美国家庭在一两个月时间内的电力消耗,还相当于一辆面包车装满AA干电池、或者90公斤汽油所储存的能量。

四十亿焦耳乘以七十亿人,等于2.8*10^19焦耳,或者8拍瓦时(8万亿度)。这是每年全球能源消耗的百分之五。挺多的,但还没到不可能的程度。
(#原文2.8*10^18 有误,此处改正。)

但这只是理论最小值。实际上,要消耗能量取决于我们的运输手段如何。 如果我们用火箭运输,那消耗的能量就要比最小值多一大截。这来自于火箭的根本麻烦:火箭要把自己的燃料也发射出去。

让我们先讨论一下这90公斤的汽油,因为这有助说明太空旅行的一个核心麻烦。

要发射一艘65公斤重的飞船,需要燃烧掉约90公斤的燃料。(单位质量的汽油拥有的能量与火箭燃料差不多,所以我们接下来就抱住这个栗子不放啦。)那么,燃料装船——飞船现在重155公斤。 一艘155公斤重的飞船需要215公斤的燃料,所以我们再加装125公斤燃料……

还好,我们幸免于掉进“每加1公斤载重就要补充1.3公斤燃料”这个无限循环,因为我们其实不需要把所有燃料都一路带上天。我们是一边走一边烧燃料,因此飞船质量越来越轻,所需的燃料也越来越少。但燃料的确是要走一部分路程的。那么为了能达到指定的速度,需要烧掉多少推进剂呢?齐奥尔科夫斯基火箭方程告诉我们:

Δv=v排气*ln(m始/m末)

(m始 和 m末 分别是燃料燃烧之前和之后的飞船总质量,v排气 是燃料的“排气速度”,对于火箭燃料,排气速度在2.5-4.5千米/秒之间。)

关键在于Δv 和 v排气 之间的比例——前者就是我们想要达到的速度,而后者是推进剂喷出火箭的速度。每公斤飞船所需的燃料公斤数,就是e的这个比例的次幂;而这个指数可是增长得相当之快。要想离开地球,我们需要的Δv是13千米/秒,竖直向上;而v排气 又不会超过4.5千米/秒太多。由此可得,燃料与飞船的比例至少要有 e^(13/4.5)≈20。

总之呢,结果是:要使用传统的火箭燃料克服地球引力,1吨重的飞船需要20至50吨燃料。人类总重量约4亿吨,全发射出去需要几十万亿吨的燃料。这实在太多了,假如我们的燃料是基于烃类化合物的,那要占去全球剩余石油储量的一大部分。这还不算飞船本身、食物、水还有我们的宠物(光是美国的宠物狗可能就有大约一百万吨)的重量。我们还得需要燃料来制造所有这些飞船,把人运到发射场地,等等。我不是在说化学燃料方式一定是完全不可能,但它绝对不在“有可行性”的领域。

但火箭并非我们唯一的选择。的确,以下方案听起来很疯狂,但没准实效会更好……我们可以试着 (1)爬着绳子上太空(不是比喻),或者(2)用核弹把我们炸进太空。严肃点儿!这些都是实际存在的——哪怕是鲁莽了点儿的——的发射系统想法,并且自从太空时代的早期,人们就一直在琢磨这俩办法。

第一种途径就是所谓的“太空电梯”概念啦,科幻作家最喜欢了。想法是:我们发射一颗卫星环绕地球运行,卫星上系着一根缆绳。卫星要足够远,让离心力足以把缆绳拉紧。接着就让人们攀着缆绳上去就行了,用普通的电动马达就好,以太阳能、核电站或者随便什么好用的东西供电。工程上,这个方案的最大障碍是这根缆绳要足够强,得比我们眼下最强的材料还要抗拉好几倍。基于碳纳米管的材料也许有希望能提供所需的强度——所以呢,那一长串工程学问题里又多了个新成员,这些问题的共同特点就是:只要祭出“纳米”这个前缀,就可装作迎刃而解的样子啦。

第二种途径是核爆脉冲推进,这办法居然是可行的,足以让大量物质获得很高的速度,还真让人吃惊呢……基本原理是,往身后扔一颗核弹,然后乘上它炸开的冲击波,获得速度。你可能会觉得飞船会被核弹蒸发掉;但实际上,如果飞船装备了精心设计的防护盾,那么在护盾被轰成渣之前,爆炸冲击波本身早就烟消云散了。如果护盾足够可靠,这套发射系统理论上足以把整座城区送进地球轨道,有可能——只是可能——达成我们的目标。

这个第二途径背后的工程学原理如此扎实,以至于20世纪60年代的时候,在弗里曼·戴森(#对,就是那个提出戴森球的家伙)的指导下,美国政府真的试图建造这样一艘核爆动力飞船!这项工程的代号是“猎户座计划”,在弗里曼·戴森的儿子乔治·戴森所写的同名书里有十分精彩的详述。可惜这项工程还没来得及造出初号机就被取消了,让核爆脉冲推进理论的支持者十分伤心。(#其中一定包括大刘吧!必须是吧!)但另一些人则指出,请认真考虑一下这些疯狂的家伙要做的事情吧——把我们全部的核武器库丢进盒子里面,远远甩到高空中,再拿核弹反复去轰……苍天啊这个项目如此恐怖怎么居然进行了这么久才被取消啊啊?

总之呢,答案是:把送一个人入太空很容易的,但若让我们所有人都进入太空,足以把我们的资源逼到极限,甚至可能摧毁这个星球。对一个人来讲这是一小步,而对于全人类而言这却是何等巨大的飞跃啊。

觉得料不够猛并且为自己拖延症寻找借口中的译者友情提供之番外篇:后猎户时代

以下内容为译者搜寻资料后编译所得,与xkcd无关

猎户座计划本身其实比xkcd所描述的更疯狂。大气层中核弹爆炸会产生冲击波,但是太空中没有空气,核弹本身没有多少物质,勉强产生个冲击波也不给力……对此,猎户座计划的方案是使用许多个“脉冲推进单元”,每个单元形状有点像一个崎岖的杯子,核弹在杯中,杯盖是一厚层塑料。使用的时候让杯盖冲着自己,朝身后扔出去,引爆核弹;核弹把杯盖蒸发,产生的等离子流冲击飞船尾部的推进板,产生推力。计划中这艘怪物的先进型号在行星之间旅行时自重10000吨,会携带800枚核弹,每枚当量为350吨TNT(其实不是很多……“小男孩”的当量大约是12000吨。不过世界上最小的核弹M-388大卫·克洛科特无后坐力炮炮弹,当量只有10吨TNT),平均每秒爆炸一次,但是却能携带5000吨以上的有效载荷,其中包括大约4000名人类船员。相比之下土星五号重3350吨却只能携带130吨载荷,实在可怜了一点……

当然,这个计划对飞船的推进板(也即xkcd正文中提到的“护盾”)提出了严峻考验。如何能让这个板子面对大量高热等离子流的轰击而不被轰杀至渣?模拟和实验表明,如果只进行太阳系内的迁徙的话,每次小核弹爆炸只会让推进板遭受千分之几秒的高温烧灼,时间太短不足以产生明显损害,也不需额外冷却。但如果我们想靠这个去半人马阿尔法星,小核弹肯定不够给力,大核弹就会产生问题。戴森本人的估计是,使用氢弹的话,此法上限可以达到大约0.1c;但是这是不考虑减速的情况,如果还要留核弹准备减速,那么最大速度也得减半。卡尔·萨根认为,这是我们现存核武器库的一个好去处。无论如何,凭借现有的技术,猎户座计划其实是可以实现的。

0.1c显然是不能满足宇宙梦想家,所以他们构想了很多其它方案,不幸这些方案在现有技术下都不可实现,所以不详细说了。

代达罗斯计划和远射计划。这两者使用的是“聚变火箭”,在飞船的内部建造一个可控热核反应堆,然后将产生的等离子体喷射出去。预期这个飞船可以达到0.12c,其实还是不够给力。问题在于地球上的可控核聚变还没实现呢……

不列颠轨道飞碟计划(这名字为什么有蒸汽朋克既视感……)。这货真的长得像一个飞碟……基本原理还是可控核聚变,但是和传统的聚变火箭不同,这个聚变反应堆是脉冲式的,由此产生的变化电磁场用来发电,这些电力又重新经由电磁铁转变为定向的磁场,将聚变产生的各种亚原子粒子加速推走,使得推进效果更好。不过这个方案遭受的嘲笑比较多。

太阳帆。基本原理是利用光压推动飞船前进,因为阿瑟·克拉克的小说而广为人知,这里不再赘述。

磁帆。太阳帆的强化版,用磁场偏转太阳辐射出的带电粒子以加速。

不过个人还是认为,终极解决方案大概是赫赫有名的巴萨德冲压发动机(记得《宇宙过河卒》吗?虽然我比较喜欢小说原名Tau Zero……)。它的思路简单粗暴:一路航行、一路捕获太空中的氢原子,然后就地用来作为可控核聚变燃料……

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