WHAT IF: 全人類星際移民

類別: 新奇

@有個阿龍:what if 本週譯稿 / Everybody Out

目前有足夠的能量將全人類都轉移到其他星球嗎?
—Adam

因為汙染,人口過剩,或核戰爭,人類放棄地球,這是在一坨科幻電影常見的橋段。

但是,把人類弄進太空是很難的。人口大量減少之後,再將全人類發射到太空中,技術上可行嗎?我們不必擔心我們要做的——我們將假設我們不必找到一個新家,只是我們不能呆在這裡而已。

WHAT IF: 全人類星際移民

要弄清楚這是否合理,我們可以從最基本的能源需求開始:四焦耳每人。無論我們通過什麼方法去做,不管我們是否使用火箭或大炮或太空電梯,移動65公斤的人或65公斤的東西出地球引力範圍,至少需要這麼多的能量。

重力勢能=12*65kg*(地球逃逸速度)2

若某物體正以地球逃逸速度執行,那麼使它脫離地球所需的能量等同於它的動能。

4焦耳是多少? 差不多是一兆瓦時,這是一個普通美國家庭在一兩個月時間內的電力消耗。數量上也是一輛麵包車裝滿AA電池或90公斤汽油所儲存的能量。

WHAT IF: 全人類星際移民

四焦耳乘以七十億人等於2.8*1018焦耳,或8千兆瓦特時。這是每年全球能源消耗的百分之五。挺多的,但是,沒有不可能。

但這僅僅是理論最小值。 在實踐中,一切都取決於我們的運輸手段。 如果我們正在使用的火箭,它會需要更多。這出自火箭的基本問題:他們必須考慮到自身燃料消耗。

讓我們回到90公斤(約30加侖)的汽油,因為它們有助於說明太空旅行的一個核心問題

如果我們想發射一個65公斤重的飛船到太空中,我們需要燃燒掉約90公斤的燃料(每磅汽油擁有的能量與火箭燃料差不多,因此我們將堅持使用這個栗子)。我們裝上燃料之後,我們的飛船現在重達155公斤。 一個155公斤重的飛船需要215公斤的燃料,因此,我們又多補充了125公斤燃料...

幸運的是,我們得到了一個無限迴圈,我們新增每1公斤的重量,便需要額外的1.3公斤燃料。實際上,我們並不需要一路帶著這些燃料。我們在路上就把燃料燃燒掉了,所以我們變得越來越輕,這也意味著我們需要越來越少的燃料。但我們在途中也必須運輸燃料。齊奧爾科夫斯基火箭方程教會我們,在給定的速度下移動到底需要燃燒掉多少推進劑:

Δv=v排氣ln(m /m)

m 和 m 是燃料燃燒前後的飛船的總質量+燃油質量,v排氣 是燃料的“排氣速度”,火箭燃料的排氣速度是2.5-4.5公里/小時之間的一個數字。

最重要的是Δv 和 v排氣 之間的比例——我們將要去比較推進劑離開火箭的速度。每公斤飛船所需的燃料公斤數是e這個數字,而且這個數字會很快變大。為了離開地球,我們需要一個向上13公里/秒的Δv,v排氣 不超過4.5公里/秒,從而可以得到一個燃料與飛船的最小的比例 e13/4.5≈20。

重點是要克服地球的引力,使用傳統的火箭燃料,一噸重的飛船需要20至50噸燃料。發射出全人類(總重量:約4億噸)則需要幾十萬億噸的燃料。這太多了,如果我們使用碳氫化合物為基礎的燃料,它差不多是全球現存的剩餘石油儲量。而這還並未考慮到飛船本身,食物,水,和我們的寵物(僅美國的寵物狗可能就有大約一百萬噸)的重量。我們也需要燃料來產生所有這些飛船,把人運送到發射場,等等。這並不是完全不可能的,但那肯定是其他領域的可能性。

但火箭並不是我們唯一的選擇。雖然聽起來很瘋狂,但我們可以試圖進入太空(1)通過繩子爬進太空,或(2)通過核武器把自己弄進太空。實際上這些是發射系統的很嚴肅——雖然夠大膽——的想法,這兩種想法自從太空時代以來就開始活躍起來了。

WHAT IF: 全人類星際移民

第一種方法是“太空電梯”的概念,科幻作家最喜歡的。這個思路是我們連線到足夠遠的衛星軌道,並通過離心力把繩繃緊。那麼我們就可以通過使用普通的電力和馬達,太陽能發電,核能發電機組,或任何效果最佳的供電手段把人們送到繩索上去。工程的最大障礙便是繩索要比我們目前能做的最強的東西還要強數倍。基於碳奈米管的材料有希望可以提供所需的強度,把它加入一長串的工程問題之中,“奈米”字首讓人感覺它有點跑題。

第二種方法是核脈衝推進,一個貌似合理的令人驚訝的可以讓大量物質瞬間達到高速的方法。其基本思路是,在你身後引爆核彈,然後你乘坐衝擊波而去(#駕鶴西去豈不更快)。或許你會認為航天器可能會變成渣渣,但事實證明,如果它有一個精心設計的保護殼,在它有機會瓦解之前爆炸已經消失了。如果它做的足夠可靠,在理論上該系統將能夠將整個城市送入軌道,並能可能實現我們的目標。

在20世紀60年代,這背後的工程原理比較紮實,在弗里曼·戴森的指導下,美國政府實際上曾試圖建造一些這樣的飛船。這一努力的專案,被稱為獵戶座專案,詳列在弗里曼的兒子喬治·戴森所寫的同名書中。在任何原型建之前,該專案就被取消了,這使得核脈衝推進的支持者們至今都對此感到十分桑心。另一些人則爭辯說,當你想起他們在幹什麼時你就會感到陣陣寒慄——把我們全部核武器放在一個盒子裡,並投入大氣層,並反覆核爆炸。

因此,答案是,把送一個人入太空是很容易的,但讓我們所有人都進入太空會將耗盡我們的資源,並可能摧毀這個星球。對一個人來講這是一小步,而對於全人類而言這又是何等巨大的飛躍(#貌似在哪裡聽過這句話)[投稿 via XKCD]

WHAT IF: 全人類星際移民原文請看這裡

推薦文章