终极科技：如何100%利用太阳能

鉴于在我们赖以生存的地球上，资源正逐渐枯竭，同时我们还面临着能源需求和生存空间与日俱增的问题，造戴森球看起来是个很好的长期计划。 戴森球的概念源自数学物理学家弗里曼·戴森。在他的假想中，戴森球是由太阳能收集器(或太空栖息地)组成的一个包围着恒星的壳体。在这个模型中，所有的(至少大部分的)能量会辐射至接收面，然后被加以利用。戴森推断这种结构会是满足人类科技文明长期生存、能源需求攀升的下一个终极方案。 有了这个“球”，人类的文明程度都可以向前迈进一大步，因为我们已经可以驾驭恒星的能量。 什么?你说这现在不可能?这是留给我们子孙后代来考虑的问题? 再想想吧：其实我们比想象中更有能力建成戴森球。实际上，我们可能再过25-50年就真的可以开始实施这个计划了，然后只需短短的几十年，就能完成第一阶段。 戴森球是一个什么样的球? 按照戴森球的架构，这种方法采集到的能量会大的惊人。据一名勘察工程专家安德斯·桑德伯格说，在太阳系中，一个天文单位的半径的戴森球拥有2.72*10^17平方公里的表面积，即地球表面积的6亿倍。这样庞大的表面积将是大部分太阳能可以为我们所用，而太阳能的输出功率达到4*10^26瓦。戴森球采集到的能量可想而知。 太阳能收集器组成的戴森云   在这里要指出的是，戴森球可能跟你想象的不太一样。科幻小说里它常被塑造成一个包裹着太阳的固体球壳，而且它的内表面适宜人类居住。在物理上这样的结构是不可行的，因为这样表面需要的抗张强度会非常巨大，并且球壳极易受到大幅漂移的影响。 戴森最初的构想仅是太阳的表面有足够的太阳能收集器来收集太阳光即可，并非要求它们形成一个连续的壳体。相反，这个壳体应由在独立的轨道运行的结构组成，约有一百万公里厚，涵盖着十万个物件。因此，一颗“戴森球”可能由多种不同布局的太阳能收集器组成。 除了戴森球，戴森还曾构想过类似的戴森云模型和戴森泡模型。在戴森云模型中，无数多块太阳能电池板以不同的轨道半径排布在太阳周围。这是通常被认为是最理想的模式。而在戴森泡模型之下，太阳帆和太阳能电池板被放置在引力和太阳风推力平衡的位置上。 为了达到此次讨论目的，我们可以先建造一个戴森云，它是由数量巨大，密度极高的独立结构体系沿不同轨道绕太阳运行。这个方法的好处就是这个构造可以逐次建造。此外，还可以利用不同形式的无线能量传输工具将各组件之间和组件与地球间的能量相互传递。 建造戴森球=拆掉水星? 那么我们应该如何开始建造这项人类史上前所未有的巨大结构工程呢? 像前面所说的那样，戴森球，或者应该叫I型戴森球，可以渐次建造，实际上我们也应该采取这种方法。而主要的挑战则来自于我们所需的先进材料(这些材料我们还没有生产出来，但是在纳米技术的帮助下，很有可能在未来十年内开发出来)，以及在太空中采矿和建造太阳能板的全自动机器人。 首先说明这并不是痴人说梦，假设我们能够在未来五年内能够克服这些困难，那么我们如何开始修建呢? 牛津大学物理学家斯图亚特?阿姆斯特朗宣称他仅用人类已经掌握的技术，为戴森球的建造设计出一套精妙而又异常简单的方案。阿姆斯特朗的方案有五个基本建设阶段，如果同时使用循环进行的方式，还能使建造速度产生递增的效果，甚至是指数级递增，从而使整个工程在几十年内完成。 在把五个步骤一一拆解后，整个建设周期是这样的： 1、获得能量 2、在水星采矿 3、将原料送入轨道 4、制造太阳能收集器 5、汲取能量 这个方案不是要把整个戴森球一次建成，而是利用循环渐进的方式逐步建设。我们只需建造戴森球的一小部分并将其作为工程其余工作的能量源。这样一来，建设效率将随着工程的进展而不断提高。“我们现在就可以着手进行。”阿姆斯特朗表示这只不过是材料和自动化的问题。 你没看错：我们是准备从水星矿藏中获得原材料。实际上，我们很可能要拆分掉整个星球，戴森球所需的材料数量是令人无法想象的——多到如果我们曾经想把太阳占为己有。在建造过程中，我们将要拆分的不仅仅是水星，还有金星、某些带外行星和任何附近的小行星。 为什么要先从水星下手?根据阿姆斯特朗的说法，我们需要一个靠近太阳的便利材料来源，同时他还要拥有大量我们需要的元素。水星的质量是3.3x10^23千克，而其中的一多半都是我们可以利用的，这些铁和氧正是我们最需要的建筑材料。那么，一旦把这些矿藏全部采集并运入太空，生产出太阳能收集器，水星的这1.7x10^23千克有用质量将转化为一张245克/平方米的平面。第一阶段的这块戴森云将被放在水星附近的轨道上，它将提供比较大的反射平面用来获取能量。 为了达成这个计划，阿姆斯特朗依靠五个基础但是较为保守的假设。首先，我们需要十年的时间来移动并放置获能材料;第二，水星的质量中真的有51.9%是可用的;第三，十分之一的能量将用于将原材料移出水星(其余的用来采矿);第四，我们将获得太阳能板三分之一的功率输出;最后，建造出1平方千米的戴森球表面。 接下来，事情就会变得更有趣：建设效率从此将呈指数级别增长。 因此，阿姆斯特朗建议我们将整个工程拆分成他所谓的“十年计划”。基本上，我们应该用第一个十年建造第一组阵列，然后利用这团初始戴森球提供的能量，助力工程余下的工作。按照这个时间规划，水星大约将在四个十年周期内被完全拆解。换句话说，我们可以在四十年里创造出由水星一半以上质量组成的戴森球。假如我们愿意继续下去，只要再花大约一年时间便可以拆解金星。 假如不停下建设的脚步，直到将太阳的能量收入怀中，我们最终会拥有3.8x10^26瓦特的能量。 戴森球是未来最好的选择? 我们建造的戴森球规模   一旦第一阶段建设完成后(即水星阶段)，我们可以利用这一阶段的能量用于其他方面，比如百万级规模的超级计算机，为探索星际建设大型驱动，或继续建立和维护戴森球。 有趣的是，阿姆斯特朗认为第一阶段的能量足够为我们服务了，但其他学者例如桑德伯格建议我们应该继续研究下去。但如果要深入研究，我们就必须拆解更多的行星。桑德伯格声称，无论太阳系的内外层，都包含足够可用资源用于建造一个完整的各种形式的戴森球体，半径为一个天文单位(约42千克/平方米)。显然，我们想要真正达到可以驾驭恒星能量的文明程度，就必须沿着这条路走下去。 那么为什么要沿着这条路一直走呢?因为，很有可能我们对于计算能力的需求变得越来越大。很难预测后奇点文明或后生物文明将如何利用如此巨大的计算能力，应该是类似祖先模拟，甚至在宇宙中创建虚拟宇宙这方面的用途吧。另外，一个高等文明也许就是想要尽可能多地创造出真实的个人经历(出于一种功利主义需求)。无论如何，数字生存将出现在我们的将来，那么计算能力必定成为我们最宝贵和最渴求的资源。 不管我们是建立一个小型阵列或覆盖整个太阳的结构，必须明白的是，构造一个戴森球的想法不应该再来源于科幻小说或我们对遥远未来的梦想。它像其他太空探索项目，如太空电梯或者火星地球化，我们应该认真考虑把这个项目归进我们太空探索和工作的计划中。 因为随着地球环境的日益恶化以及我们对居住空间和资源不断增长的需求，我们可能没有其他选择。