@ 2012.08.15 , 15:09

WHAT IF: 全人类星际移民

@有个阿龙:what if 本周译稿 / Everybody Out

目前有足够的能量将全人类都转移到其他星球吗?
—Adam

因为污染,人口过剩,或核战争,人类放弃地球,这是在一坨科幻电影常见的桥段。

但是,把人类弄进太空是很难的。人口大量减少之后,再将全人类发射到太空中,技术上可行吗?我们不必担心我们要做的——我们将假设我们不必找到一个新家,只是我们不能呆在这里而已。

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要弄清楚这是否合理,我们可以从最基本的能源需求开始:四焦耳每人。无论我们通过什么方法去做,不管我们是否使用火箭或大炮或太空电梯,移动65公斤的人或65公斤的东西出地球引力范围,至少需要这么多的能量。

重力势能=12*65kg*(地球逃逸速度)2

若某物体正以地球逃逸速度运行,那么使它脱离地球所需的能量等同于它的动能。

4焦耳是多少? 差不多是一兆瓦时,这是一个普通美国家庭在一两个月时间内的电力消耗。数量上也是一辆面包车装满AA电池或90公斤汽油所储存的能量。

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四焦耳乘以七十亿人等于2.8*1018焦耳,或8千兆瓦特时。这是每年全球能源消耗的百分之五。挺多的,但是,没有不可能。

但这仅仅是理论最小值。 在实践中,一切都取决于我们的运输手段。 如果我们正在使用的火箭,它会需要更多。这出自火箭的基本问题:他们必须考虑到自身燃料消耗。

让我们回到90公斤(约30加仑)的汽油,因为它们有助于说明太空旅行的一个核心问题

如果我们想发射一个65公斤重的飞船到太空中,我们需要燃烧掉约90公斤的燃料(每磅汽油拥有的能量与火箭燃料差不多,因此我们将坚持使用这个栗子)。我们装上燃料之后,我们的飞船现在重达155公斤。 一个155公斤重的飞船需要215公斤的燃料,因此,我们又多补充了125公斤燃料...

幸运的是,我们得到了一个无限循环,我们添加每1公斤的重量,便需要额外的1.3公斤燃料。实际上,我们并不需要一路带着这些燃料。我们在路上就把燃料燃烧掉了,所以我们变得越来越轻,这也意味着我们需要越来越少的燃料。但我们在途中也必须运输燃料。齐奥尔科夫斯基火箭方程教会我们,在给定的速度下移动到底需要燃烧掉多少推进剂:

Δv=v排气ln(m /m)

m 和 m 是燃料燃烧前后的飞船的总质量+燃油质量,v排气 是燃料的“排气速度”,火箭燃料的排气速度是2.5-4.5公里/小时之间的一个数字。

最重要的是Δv 和 v排气 之间的比例——我们将要去比较推进剂离开火箭的速度。每公斤飞船所需的燃料公斤数是e这个数字,而且这个数字会很快变大。为了离开地球,我们需要一个向上13公里/秒的Δv,v排气 不超过4.5公里/秒,从而可以得到一个燃料与飞船的最小的比例 e13/4.5≈20。

重点是要克服地球的引力,使用传统的火箭燃料,一吨重的飞船需要20至50吨燃料。发射出全人类(总重量:约4亿吨)则需要几十万亿吨的燃料。这太多了,如果我们使用碳氢化合物为基础的燃料,它差不多是全球现存的剩余石油储量。而这还并未考虑到飞船本身,食物,水,和我们的宠物(仅美国的宠物狗可能就有大约一百万吨)的重量。我们也需要燃料来产生所有这些飞船,把人运送到发射场,等等。这并不是完全不可能的,但那肯定是其他领域的可能性。

但火箭并不是我们唯一的选择。虽然听起来很疯狂,但我们可以试图进入太空(1)通过绳子爬进太空,或(2)通过核武器把自己弄进太空。实际上这些是发射系统的很严肃——虽然够大胆——的想法,这两种想法自从太空时代以来就开始活跃起来了。

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第一种方法是“太空电梯”的概念,科幻作家最喜欢的。这个思路是我们连接到足够远的卫星轨道,并通过离心力把绳绷紧。那么我们就可以通过使用普通的电力和马达,太阳能发电,核能发电机组,或任何效果最佳的供电手段把人们送到绳索上去。工程的最大障碍便是绳索要比我们目前能做的最强的东西还要强数倍。基于碳纳米管的材料有希望可以提供所需的强度,把它加入一长串的工程问题之中,“纳米”前缀让人感觉它有点跑题。

第二种方法是核脉冲推进,一个貌似合理的令人惊讶的可以让大量物质瞬间达到高速的方法。其基本思路是,在你身后引爆核弹,然后你乘坐冲击波而去(#驾鹤西去岂不更快)。或许你会认为航天器可能会变成渣渣,但事实证明,如果它有一个精心设计的保护壳,在它有机会瓦解之前爆炸已经消失了。如果它做的足够可靠,在理论上该系统将能够将整个城市送入轨道,并能可能实现我们的目标。

在20世纪60年代,这背后的工程原理比较扎实,在弗里曼·戴森的指导下,美国政府实际上曾试图建造一些这样的飞船。这一努力的项目,被称为猎户座项目,详列在弗里曼的儿子乔治·戴森所写的同名书中。在任何原型建之前,该项目就被取消了,这使得核脉冲推进的支持者们至今都对此感到十分桑心。另一些人则争辩说,当你想起他们在干什么时你就会感到阵阵寒栗——把我们全部核武器放在一个盒子里,并投入大气层,并反复核爆炸。

因此,答案是,把送一个人入太空是很容易的,但让我们所有人都进入太空会将耗尽我们的资源,并可能摧毁这个星球。对一个人来讲这是一小步,而对于全人类而言这又是何等巨大的飞跃(#貌似在哪里听过这句话)本文译自 XKCD,由译者 投稿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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