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導讀
來自殘酷的饋贈
來自殘酷的饋贈
“生命從海洋登上陸地是地球生物進化的里程碑，但上岸的魚再也不是魚了；同樣，真正進入太空的人，再也不是人了。”這段《三體》中的臺詞，是關于人類飛向外太空后的想象。
在小說中，太空艦隊脫離地球流浪在太空，他們只用五分鐘就迅速建立了一個迥異于地球規則的新社會，用氛彈將另一艘飛船上的人變成了蛋白質資源……當然，這些都是作者對極端環境的一種個體想象。
不過，有一件事卻是可以肯定的， 當人類打算飛向外太空時， 需要改變的認知和習慣比想象中要大得多得多。舉個例子，通過太陽光照來獲取能源，在地球上已經司空見慣了。但離開了地球大氣層之后，人類面對的是一個極其寒冷的宇宙。
外太空的平均溫度僅僅比絕對零度高3攝氏度，也就是零下270攝氏度左右，衛星以及國際空間站的設備都需要特別的防寒設計來保證工作。
那么，是不是也需要開發除了太陽熱能之外的資源來為未來的人類供應能源呢？
類似的研究其實早已經啟動了。最近AIP出版的《應用物理學快報》刊登了一項新的研究成果，可以直接從寒冷的宇宙中獲得電力。
用“寒冷”發電：到底是怎么回事兒？
我們早已習慣了地球上鋪天蓋地的太陽能電池板，但它們都需要光照才能為人類提供電能。不過，最近美國物理研究所的科學家們研發了一種紅外半導體裝置，可以從超低溫度的外層空間中獲取能源，最關鍵的是，這種設備可以在夜間工作，即使是陰雨霧霾等天氣，都可以全天候運行。
那么，它的物理學原理到底是什么呢？
我們知道，傳統的太陽能電池板是通過大規模的光電二極管組合而成，通過激發硅等半導體材料中的電子，從而將太陽光轉換為電能。
研究人員于是反其道而行之，利用“負照明效應”，即光電二極管的“反向”操作，在熱量逃逸回太空時，通過在大氣層外布置的紅外半導體來收集輻射能量并將其轉換成電流。
論文作者、加州斯坦福大學的Shanhui Fan表示，就光電物理而言，在入射輻射和出射輻射之間確實存在非常美麗的對稱性。
而實驗中捕捉到的可測量電流，也證實了這一概念的可行性，盡管功率小的可憐，只有每平方米64納瓦。
根據理論測算，目前的設備設計應該能夠產生每平方米近4瓦的電能，也就是實驗效果的100萬倍，足以維持一些低功率設備和機器在夜間運行。論文的另一位作者小野正(Masashi Ono)也表示，這個實驗產生的功率遠遠低于理論極限，接下來會繼續從材料等著手提升設備的性能。
當然，相對于未來宇宙空間站的自我運行和人類生活所需要的電力能源來說，利用太空的“冷卻輻射”來發電顯然處于剛剛開始的狀態，并且杯水車薪。
那大家可能會好奇，真的到了需要長期生活在宇宙的那一天，靠啥發電才是正經事？
重新理解電網： 太空生存的電從哪里來
告別了地球生活最熟悉的水資源和煤炭發電，宇宙飛船和空間站還能依賴哪些能源什么維持運轉呢？最重要的一件事就是，別忘了帶上核電站。
當然不是地球上那種龐然大物，比如美國宇航局正在研發的斯特林同位素熱電機，就是利用核電技術為未來長期太空生存提供電力支持的。
這種熱電機有點像超大號電池，可以被裝設在人造衛星、太空探測器與無人遙控設備上，利用熱電偶陣列將一些恰當的放射性物質在衰變時釋放的熱量，轉化為電能。
理論上講，單一“核電池”可以為太空載具提供10-20年的電力供應。并且具有完備的防護措施，以防止釋放給人體造成危害的輻射。
當然，星際旅行時間往往都以百年計，咱也不能依靠“核電池”坐吃山空對不對？
我們熟悉的太陽能發電也必須有姓名。
在宇宙空間中利用太陽能資源，就不只是鋪上一堆太陽能板那么簡單了，需要設計一個密集的太陽能電池陣列。其中，太陽帆板(即太陽冀)被調整地面向太陽，一邊給宇宙空間站供電，一邊給蓄電池充電。在陰影區，則使用蓄電池供電。
目前用于發電的太陽能帆板都開始采用納米晶體和有機半導體材料來制作，前者性價比高且性能穩定，后者更適合在太空的超低溫環境下運行。
另外這些太陽能電池陣列都需要安裝少量推進劑，以便克服太陽光壓、星體引力等因素造成的軌道漂移。還需要進行合理的部署，以盡可能防范太空中的小型隕石、太空垃圾等的碰撞。
盡管目前研究人員正在努力開發新的同位素發電機，并試圖改進鋰電池技術以支持在宇宙極端低溫環境下工作，更高性能的太陽能帆板也正在同步研發，試圖去往距離太陽更遠的宇宙空間工作。
但很顯然，僅靠這些設備還是蠻難支撐起動輒數百光年的宇宙飛行的。因此，“負照明”的太陽能發電技術固然能力還非常弱小，但誰知道未來它會不會成為宇宙空間能源技術中的重要成員呢？
說到這里，大家可能會問了，在地球上一個頂N的核聚變發電站，怎么就不配做“太空夢”了呢？帶上幾個能運轉幾十萬年的“核反應堆”，說走咱就走。
主要原因可能在于，目前人類還沒有辦法很穩定地控制核聚變反應在太空中作為能源供給。而且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都很大，不用幻想帶著它星際旅行了，在火星等未來人類的聚集地建造可能會更加合適。
宇宙航行需要怎樣的能源？
說到這里，我們可以大致總結一下，未來宇宙航行時可能依靠的電力系統究竟長什么樣子了？
首先，它必須高度可靠。在星際航行中，可能并沒有太多緩沖地帶，飛船和空間站中的設備，有些一定是完全不能斷電的，比如生命維持系統（冷凍艙），信號接收器，以及最低限度的照明。因此，供電系統也必須高度可靠，至少要能保證在發生故障后及時進行自我修復，或者有足夠的儲備能源支撐到降落。
因此，研發一些能夠在宇宙極端溫度下不間斷運行的能源設備就顯得至關重要了。“負照明”冷卻發電的意義也在于此。
第二則是高性能。能夠與人類一起流浪宇宙的供電系統，不僅要確保足夠的使用壽命，比如飛往冥王星需要10年，飛出太陽系需要20-30年。 與此同時，還不能體積太大太重，給宇宙航行的速度拖后腿，因此供電設備的“能量密度”也就非常重要了。以目前的技術， “核電池”算是綜合實力比較高的選擇。
當然，考慮到宇宙的特殊生存環境，供電設備還需要經受超強輻射環境和極端溫度的考驗。 比如金星表面能達到460攝氏度，而木星大氣層內則有零下150度。除了在材料學上加強供電裝置的強度以外，利用宇宙中溫度不均衡、尤其是寒冷的情況來發電，看來也是很有前途的思路呢。
當然，細數人類目前在太空生存上的努力和探索，有些可能是為未來保駕護航的技術“火種”，更多的也可能被時間證明是徒勞與失望。無論如何，如果走向宇宙是人類的終極宿命，那么希望這個壯闊而殘酷的旅程永不斷電。
在小說中，太空艦隊脫離地球流浪在太空，他們只用五分鐘就迅速建立了一個迥異于地球規則的新社會，用氛彈將另一艘飛船上的人變成了蛋白質資源……當然，這些都是作者對極端環境的一種個體想象。
不過，有一件事卻是可以肯定的， 當人類打算飛向外太空時， 需要改變的認知和習慣比想象中要大得多得多。舉個例子，通過太陽光照來獲取能源，在地球上已經司空見慣了。但離開了地球大氣層之后，人類面對的是一個極其寒冷的宇宙。
外太空的平均溫度僅僅比絕對零度高3攝氏度，也就是零下270攝氏度左右，衛星以及國際空間站的設備都需要特別的防寒設計來保證工作。
那么，是不是也需要開發除了太陽熱能之外的資源來為未來的人類供應能源呢？
類似的研究其實早已經啟動了。最近AIP出版的《應用物理學快報》刊登了一項新的研究成果，可以直接從寒冷的宇宙中獲得電力。
用“寒冷”發電：到底是怎么回事兒？
我們早已習慣了地球上鋪天蓋地的太陽能電池板，但它們都需要光照才能為人類提供電能。不過，最近美國物理研究所的科學家們研發了一種紅外半導體裝置，可以從超低溫度的外層空間中獲取能源，最關鍵的是，這種設備可以在夜間工作，即使是陰雨霧霾等天氣，都可以全天候運行。
那么，它的物理學原理到底是什么呢？
我們知道，傳統的太陽能電池板是通過大規模的光電二極管組合而成，通過激發硅等半導體材料中的電子，從而將太陽光轉換為電能。
研究人員于是反其道而行之，利用“負照明效應”，即光電二極管的“反向”操作，在熱量逃逸回太空時，通過在大氣層外布置的紅外半導體來收集輻射能量并將其轉換成電流。
論文作者、加州斯坦福大學的Shanhui Fan表示，就光電物理而言，在入射輻射和出射輻射之間確實存在非常美麗的對稱性。
而實驗中捕捉到的可測量電流，也證實了這一概念的可行性，盡管功率小的可憐，只有每平方米64納瓦。
根據理論測算，目前的設備設計應該能夠產生每平方米近4瓦的電能，也就是實驗效果的100萬倍，足以維持一些低功率設備和機器在夜間運行。論文的另一位作者小野正(Masashi Ono)也表示，這個實驗產生的功率遠遠低于理論極限，接下來會繼續從材料等著手提升設備的性能。
當然，相對于未來宇宙空間站的自我運行和人類生活所需要的電力能源來說，利用太空的“冷卻輻射”來發電顯然處于剛剛開始的狀態，并且杯水車薪。
那大家可能會好奇，真的到了需要長期生活在宇宙的那一天，靠啥發電才是正經事？
重新理解電網： 太空生存的電從哪里來
告別了地球生活最熟悉的水資源和煤炭發電，宇宙飛船和空間站還能依賴哪些能源什么維持運轉呢？最重要的一件事就是，別忘了帶上核電站。
當然不是地球上那種龐然大物，比如美國宇航局正在研發的斯特林同位素熱電機，就是利用核電技術為未來長期太空生存提供電力支持的。
這種熱電機有點像超大號電池，可以被裝設在人造衛星、太空探測器與無人遙控設備上，利用熱電偶陣列將一些恰當的放射性物質在衰變時釋放的熱量，轉化為電能。
理論上講，單一“核電池”可以為太空載具提供10-20年的電力供應。并且具有完備的防護措施，以防止釋放給人體造成危害的輻射。
當然，星際旅行時間往往都以百年計，咱也不能依靠“核電池”坐吃山空對不對？
我們熟悉的太陽能發電也必須有姓名。
在宇宙空間中利用太陽能資源，就不只是鋪上一堆太陽能板那么簡單了，需要設計一個密集的太陽能電池陣列。其中，太陽帆板(即太陽冀)被調整地面向太陽，一邊給宇宙空間站供電，一邊給蓄電池充電。在陰影區，則使用蓄電池供電。
目前用于發電的太陽能帆板都開始采用納米晶體和有機半導體材料來制作，前者性價比高且性能穩定，后者更適合在太空的超低溫環境下運行。
另外這些太陽能電池陣列都需要安裝少量推進劑，以便克服太陽光壓、星體引力等因素造成的軌道漂移。還需要進行合理的部署，以盡可能防范太空中的小型隕石、太空垃圾等的碰撞。
盡管目前研究人員正在努力開發新的同位素發電機，并試圖改進鋰電池技術以支持在宇宙極端低溫環境下工作，更高性能的太陽能帆板也正在同步研發，試圖去往距離太陽更遠的宇宙空間工作。
但很顯然，僅靠這些設備還是蠻難支撐起動輒數百光年的宇宙飛行的。因此，“負照明”的太陽能發電技術固然能力還非常弱小，但誰知道未來它會不會成為宇宙空間能源技術中的重要成員呢？
說到這里，大家可能會問了，在地球上一個頂N的核聚變發電站，怎么就不配做“太空夢”了呢？帶上幾個能運轉幾十萬年的“核反應堆”，說走咱就走。
主要原因可能在于，目前人類還沒有辦法很穩定地控制核聚變反應在太空中作為能源供給。而且目前我們所能建造的核聚變裝置，如托克馬克裝置，體積都很大，不用幻想帶著它星際旅行了，在火星等未來人類的聚集地建造可能會更加合適。
宇宙航行需要怎樣的能源？
說到這里，我們可以大致總結一下，未來宇宙航行時可能依靠的電力系統究竟長什么樣子了？
首先，它必須高度可靠。在星際航行中，可能并沒有太多緩沖地帶，飛船和空間站中的設備，有些一定是完全不能斷電的，比如生命維持系統（冷凍艙），信號接收器，以及最低限度的照明。因此，供電系統也必須高度可靠，至少要能保證在發生故障后及時進行自我修復，或者有足夠的儲備能源支撐到降落。
因此，研發一些能夠在宇宙極端溫度下不間斷運行的能源設備就顯得至關重要了。“負照明”冷卻發電的意義也在于此。
第二則是高性能。能夠與人類一起流浪宇宙的供電系統，不僅要確保足夠的使用壽命，比如飛往冥王星需要10年，飛出太陽系需要20-30年。 與此同時，還不能體積太大太重，給宇宙航行的速度拖后腿，因此供電設備的“能量密度”也就非常重要了。以目前的技術， “核電池”算是綜合實力比較高的選擇。
當然，考慮到宇宙的特殊生存環境，供電設備還需要經受超強輻射環境和極端溫度的考驗。 比如金星表面能達到460攝氏度，而木星大氣層內則有零下150度。除了在材料學上加強供電裝置的強度以外，利用宇宙中溫度不均衡、尤其是寒冷的情況來發電，看來也是很有前途的思路呢。
當然，細數人類目前在太空生存上的努力和探索，有些可能是為未來保駕護航的技術“火種”，更多的也可能被時間證明是徒勞與失望。無論如何，如果走向宇宙是人類的終極宿命，那么希望這個壯闊而殘酷的旅程永不斷電。
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