第11章 神秘能量（第2/4页）

虽然核能可能永远不会像其他传统能源那么便宜，但发达国家现在并不缺少能源。除了减少污染，我们还面临着一个非常严峻的问题，就是如何把能量输送出去，这也是一个在许多科幻作品里都被敷衍了事的问题。现在常用的是高压交流能量输送方式，也可以用高压直流能量输送方式。高压直流在长距离运输大量能源的过程中，能量损耗比较少。但是无论怎样我们都不会使用科幻作品的最爱——无线能量输送方式。

诚然，无线能量输送是完全可行的，这是我们人类生存至今的原因。毕竟，在本章开头我就提到了，归根结底，地球上的所有能量都直接或间接地来自太阳（还有月球重力作用产生的潮汐能，以及地球内部产生的地热能）。广袤的宇宙空间是不允许架设电线的。我们从太阳那里以光的形式获得能量，每个光子都是微小的能量包，而太阳有足够多的光子能量包。

太阳的辐射功率大约是4×1026瓦，其中只有8.9×1016瓦可以到达地球。到达地球的能量是太阳总能量的一小部分，但这已经是全球总功耗的5 000倍。这个数字相当惊人，但是除非我们拥有一个恒星的能量，否则光不是一个高效传播能量的方法。在实验室的优化环境下，特殊的太阳能电池可以实现25%—45%的能量转换率（即便如此，超过一半的能量也被浪费了）；传统太阳能电池的能量转换率大约是10%—20%，而薄膜电池的能量转换率只有大约5%。相比之下，我们现在常用的电线传输方式的能量转换率大约是93%—95%。

光作为能量传输方式的另一个潜在问题是，如果把大量能量转换成光束（不管是可见光还是其他波段的光，比如微波），都会对任何误入其中的生物造成潜在危害。光不能随随便便地在空中传播，因为光里蕴含的巨大能量可能毁坏任何被它击中的物体，所以光必须借助一些保护装置才能传播，这些不便和潜在的耗材成本让现有的能量传播方式再一次胜出。

曾经有一些发明家设计出无线能量转换器，比如尼古拉·特斯拉。特斯拉制造了能量传输实验装置“沃登克里弗塔”。在不是特别理解电磁波本质的情况下，特斯拉认为可以通过驻波的方式在地球表面传输能量，这是一种在空气中产生类似于电磁回路的装置。特斯拉的设计需要大量的能量，确实可以在远处产生电流，但这个现象其实就是电磁感应，和我们生活中用到的电力变压器的原理无异。

在电线中，变化的电流产生磁场，磁场又会在另一根电线中产生电流。特斯拉幻想中的能量转换是实现任意距离的无损能量传输，而现实中的电磁感应会随着距离的增加而迅速减弱，所以电磁感应不适合用来传输能量。更糟糕的是，电磁感应没有选择性，也就是说，在能量传输的过程中，附近所有的电线和金属导体都会产生电流，不管你想要不想要。我们可以做个简单的实验来证明这一点。如果把荧光灯管的一端靠近架空的高压电线，一端接地，那么荧光灯管在没有接电线的情况下也会发光，这是因为荧光灯管两端的电压不同。但是，类似的效应在实际的能量传输过程中并没有什么作用。

在能量传输领域有一种能量源比核能还要强，或者更准确地说是能量储存原理，那就是反物质。它也是《星际迷航》中“企业”号的燃料。虽然反物质引擎听上去非常富有科幻色彩，《星际迷航》中的反物质原理也纯属虚构，但反物质是真实存在的。反物质是由携带和普通粒子相反电荷的反粒子构成的，而普通物质是由普通粒子构成的。

举例说明，普通电子携带一个负电荷，与之对应的反物质——反电子（常被称为正电子）则携带一个正电荷。因为携带相反的电荷，粒子与反粒子相互吸引，导致二者毁灭，粒子的质量完全转变为能量。虽然粒子本身质量很小，但是爱因斯坦的质能方程式（E=mc2）告诉我们，每个粒子产生的能量都等于粒子质量乘以光速的平方。这可不是个小数字。

1千克（大概2.2磅）的物质和反物质碰撞毁灭产生的能量，相当于核电站10年的产能。反物质是宇宙飞船绝佳的能量来源，但应该强调的是，反物质并不像一些人想的那样是“清洁能源”，因为产生反物质需要消耗的能量比反物质自身产生的能量还要大，而且肯定是由不那么“清洁”的方式产生的。反物质本身不过是一种节省空间的储能方式，如果你想建造一艘经典的科幻宇宙飞船，它还是有用的。想想1千克传统燃料能提供多少能量，我们就会知道反物质作为储能方式真的特别节省空间。

汽油和天然气作为我们日常生活中最常见的能源，都是十分高效的储能方式。1千克汽油大约能产生15倍于同等重量的TNT炸药产生的能量（TNT炸药看起来蕴含更多能量的唯一原因是TNT燃烧速度极快，会导致爆炸）。此外，汽油比现有的最好的电池的储能能力强100倍。天然气比液态汽油在储能方面的能力更强，每单位质量的天然气蕴含1.3倍于汽油的能量，但是天然气的存储体积更大。

宇宙飞船自然不是靠汽油驱动。阿波罗系列飞船使用氢作为能源，氢的储能效率是天然气的2.6倍，是已知的最佳储能物质。未来可能会出现核裂变引擎，理论上对于同等质量的物质，核裂变储存的能量相当于汽油的200万倍。如果核聚变可以被利用，就是600万倍。由此可见反物质的储能效率有多高：每磅（或者千克）反物质可以提供20亿倍于相同质量汽油的能量。

这个数字确实非常惊人，但是反物质并不会很快出现在日常生活中。宇宙飞船至少需要几吨这种反物质才能完成有意义的星际旅行。制造反物质虽然可行，但技术上很难实现。就像美国作家丹·布朗的小说《天使与魔鬼》中提到的那样，反物质由进行大型强子对撞机实验的欧洲核子研究组织的实验室生产出来，但反物质和对撞机是两个完全不一样的实验（这是丹·布朗书中唯一和事实相符的论述），且反物质的生产速度非常慢。现在，全世界每年的反物质总产量低于百万分之一克，所以用反物质做飞船的燃料还不现实。

我在《最后的疆界》（Final Frontier）一书中提到，人类正殚精竭虑试图提高飞船的燃料使用效率。现在火箭普遍使用的氢气或氧气燃料的效率已经高于汽油，但仍然比不上核能，二者之间存在百万量级的差别。如果要探索太阳系，核能至关重要。我们可以把核潜艇上使用的核反应堆和一个向后喷射带电粒子的电动离子推进器结合起来，作为宇宙飞船的动力源，但这样的能量源还不足以支持人类探索其他恒星。