太空“三峽”:發電效率提升10倍
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人類作為地球上最有智慧的生命,能夠有如此之快的發展速度,主要是依靠人類的智慧,人類文明從誕生到現在,也就短短幾千年的時間,在這幾千年內,人類能夠站到地球食物鏈的頂端,這說明人類科技發展的速度非常快,其中地球資源給人類科技發展起到了非常重要的作用,比如說煤炭、石油、天然氣、可燃冰等等,如果說火的出現標志著人類文明的開始,那么電的出現,就標志著人類文明進入另一個高度,最早發明電的人是富蘭克林,最早提出電這個概念的是公元時期,古希臘哲學家泰勒斯拿著家里的琥珀棒蹭小貓,發現琥珀棒把小貓的毛吸起來了,當時泰勒斯以為這是和磁鐵一個原理,他將這種不可思議的力量稱為是電。
在1732年的時候,美國科學家富蘭克林認為電是一種沒有重量的流體,存在于所有的物體當中,當物體得到比正常份量多的電就稱為是帶正電,若少于正常份量,就被稱為帶負電, 富蘭克林為了對電進行探索曾經作過著名的“風箏實驗”,在電學上成就顯著;為了深入探討電運動的規律,創造的許多專用名詞如正電、負電、導電體、電池、充電、放電等成為世界通用的詞匯。富蘭克林借用了數學上正負的概念,第一個科學地用正電、負電概念表示電荷性質,并提出了電荷不能創生、也不能消滅的思想,后人在此基礎上發現了電荷守恒定律。
(資料圖)
隨著人類對電的認識越來越多,意大利物理學家阿雷桑德羅.伏特發明了第一枚電池,伏特電池在早期被稱為是電堆,他將金屬條侵入強酸溶液中,發現在兩個金屬條間產生了穩定而強勁的電流,他又用不同的金屬進行實驗,發現銅和鋅是最合適的金屬,并發明了伏特電池,也就是現在電池的原型,之后英國科學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)發現了劃時代的電磁感應現象(1831年),電磁學得到了飛速發展。法國儀器制造家皮克西(Hippolyte Pixli)發明最早的交流電發電機,1866年德國人西門子(Siemens)制成世界上第一臺工業用發電機。從此人類對電的利用越來越多。
我們可以試想一下,如果現在我們的世界突然沒有電,我們的生活將會變成什么樣子?人類文明至少要倒退幾千年的時間,隨著人類對電的需求越來越大,在我們的地球上也建造了很多發電站,比如說三峽水電站,在1994年的時候,我國正式開工建設有史以來最大型的工程項目——三峽水電站,前后經歷了15年的時間才完成,整個水電站共安裝34臺水輪發電機組,總裝機容量2250萬千瓦,年設計發電量882億千瓦時。截至今年7月,三峽電站已累計發出16000多億千瓦時清潔電能。這是我國近二十年來發展的基礎。三峽水電站地處長江西陵峽,壩基選在三斗坪。防洪發電和航運,資源利用為一體,控制流域面積大,超過了2000多公里,蓄水四百億立方,壩長2300米。
歐洲國家看到我國的三峽發電非常厲害,于是他們也想要建造一個“三峽,但是由于沒有“長江”,于是他們將目光拋向了太空,在太空中,太陽能接收效率是地球的幾十倍,而且存在非常豐富的太陽能資源,如果他們能夠將其利用起來,建造出一個太空三峽來,那么發電量就會大大提升,這是一筆巨大的財富,外國人怎么可能會輕易放過呢?最近幾年來,人類一直都在尋找更加高效、更加清潔的能源,而核能就是一種可持續的清潔能源,核能是一種低碳、清潔的能源,和化石燃料相比,核能發電不會排放大量的二氧化碳等溫室氣體,因此可以為人類提供清潔的、低碳的電力。
核能又分為核聚變和核裂變,早在100多年前,偉大的物理學家愛因斯坦已經指出,質量和能量是物質不同屬性,而且在它們之間還存在著明確的當量關系,并給出了著名的質能方程式(E=mc^2),因此得出了一個結論:核聚變和核裂變反應所產生的能量,其實就是來自于核反應中的質量虧損,相信很多人都知道,核裂變所使用的原料是鈾235,那么一克鈾235完全裂變,會出現多大的質量虧損呢?這些虧損的質量又會產生多少能量?根據科學家的研究得出,當一個鈾235吸收了一個低能中子之后,就會發生裂變,釋放出巨大的能量,同時再釋放出兩個中子,而這兩個中子又會被其它鈾235吸收促成一步裂變,這就是鏈式反應。
為什么裂變之后能夠釋放出如此巨大的能量呢?簡單來說,鈾235在裂變之后會生成新的物質并釋放出中子,在裂變反應之前和裂變反應之后,中子和質子相加的數量總和是相等的,不過反應之后的質子數量要比反應前多,而中子數量要比反應前少,中子的質量比質子略大,也就是說反應之后的質量發生了虧損,而虧損的質量則以能量的形式被釋放了出來,不過目前人類掌握的核裂變轉化率大約是百分之0.13,相當于木柴的770萬倍,原煤的430倍,石油的210倍,而核聚變的轉化率大約是百分之0.7,相當于100g的聚變物質,有0.7克被轉化為了能量。
核聚變反應要比核裂變反應更加強大,它的能源潛力更大,更加環保和安全,但是目前人類的可控核聚變還在研發當中,我們的太陽能夠燃燒50億年之久,就是因為內部核聚變的反應,太陽的核聚變是由太陽自身引力和高溫高壓導致的,在太陽的中心區域,溫度能夠達到1500萬攝氏度,壓力相當于3000億個大氣壓,在這種溫度和壓力下,氫原子的核外電子被剝離成自由電子,核子被擠壓融合到一起,形成了4個氫核融合為1個氦核的聚變,太陽中心每秒鐘有6億噸氫參與核聚變反應,融合成5.957億噸的氦,并釋放出430萬噸質量轉化為能量,這相當于每秒鐘向太空釋放3.8*10^26焦耳的電磁輻射,我們地球能夠接收到的太陽光能量只有22億分之一。
大家不要小看這22億分之一的能量,它相當于100萬噸煤炭燃燒的能量總和,所以太陽的能量對于我們來說取之不盡用之不竭,目前最常見的太陽能發電就是光伏產業,我們將太陽能電池板放在地面上。當太陽光照射時,太陽能電池板中的半導體材料中的電子被激發,就會產生電動勢。這個過程稱為光伏效應。太陽能電池板將太陽輻射能轉換成電能之后,需要通過匯流箱將電能輸出。匯流箱是一個電器設備,用于將太陽能電池板產生的電能收集起來,然后將其輸出到逆變器中。逆變器會將直流電轉換成交流電。太陽能電池板產生的電能是直流電,而我們通常使用的家庭電器需要的是交流電,因此需要通過逆變器將直流電轉換成交流電,以滿足家庭電器的使用需要。
而太空中接收到的太陽光能量更加強大,所以美國將目光放到了太空中,在上世紀70年代的時候,美國首次開啟了太空能量的挖掘計劃,他們提出了一個名為 “1979SPS基準系統”的太空發電站方案。 不過由于這些任務實施難度太大,所以這個項目被無限期的推遲,以至于發起人都去世了,計劃還沒有實施,不過讓人興奮地是,這個讓美國都犯難的問題,卻被中國接手過來了,并為它取了一個更加形象的名稱——逐日工程,逐日工程的核心就在于太空太陽能發電站的建設,它的啟動起源于一份名為《關于盡早啟動我國太空發電站關鍵技術研究的建議》文件,僅一年的時間,工信部就聯合發改委和科技部等16個部委,再加上數百名專家進行認證,并最終完成了《中國太空發電站發展規劃及關鍵技術體系規劃論證報告》,認為這項計劃是可行的。
這項工程為什么美國遲遲沒有行動呢?科學家按照現有的理論來看,將太空發電的難點主要集中在三點,分別是:太空電站的建設、太陽能源的發電,地面能源的接收。之前美國科學家對其進行了估算,一個常規的太空發電站的質量,并不會低于十萬噸,這就意味著,需要有一個推力強大的火箭將其送入太空,這對于其它國家來說,難度太大,比如說美國先前依靠航天飛機升天的模式,讓太空運輸變得非常困難,一來是載人升空成功率低,二來是載重和載人幾乎是不可能的同時完成的,想要將人和物同時送上太空,需要多次發射航天飛船,這樣一算成本實在是太高了。
不過對于中國來說,我們有長征重型火箭技術,它能夠載物也能夠載人,這使得太空電站的建設變得相對于容易一些,而且我國有組裝“天宮”空間站的經驗,所以在太空建設發電站,對于中國來說,并不是一件難事,對于太陽能的收集問題,和地面不同,太空中太陽輻射非常強烈,在地球上使用的太陽能板無法使用,在這方面,我國在天和核心艙使用的太陽電池翼,其實就是擔當了空間站“太空電站”的作用,這種電池翼體積小、展開面積大、功率質量高,完全能夠利用在逐日工程上,至于地面能源的接收,才是目前人類面臨的最大問題,要知道,該太空電站距離地面高30000公里。
這個高度意味著電纜傳輸模式根本不使用,必須利用遠程傳輸,為此,國家專門在重慶璧山選址,建成了全國首個空間太陽能電站接收基地,在這里一眾專家將進行能量遠程發送和接收的研究。按照團隊專家段寶巖院士的介紹,目前考慮使用的傳輸手段,是將電能轉換成微波后,再通過發射器傳輸回地球。目前我國科學家正在積極的研究這項工程當中,根據相關消息,我國將在2028年建成首個太空太陽能發電站,并在2035年實現部分用戶使用,我們的太空“三峽”即將來臨,到時候人類的電量使用將不再發愁,而且電費也一定會降低的。
小編認為,這只是人類目前能夠做到和想到的最好辦法了,除了這個方法之后,還有很多更加節能和強大的能源,比如說反物質,根據科學家的研究得出,反物質和正物質相遇會發生湮滅反應,從而產生巨大的能量,而這個能量的轉化率是百分之百,這是目前人類發現的最為強大的轉化率,目前科學家也在積極的研究反物質的奧秘,但是由于科學家在宇宙中并沒有發現反物質,所以想要實現這項技術還是非常困難的,不過人類作為地球上最有智慧的生命,從誕生以后就開始不斷的探索世界的奧秘,只要人類能夠堅持不懈下去,未來人類一定能夠實現自己的夢想,小編希望人類能夠早日成功,對此,大家有什么想說的嗎?