让你做短视频，你科普黑暗森林 - 第284章 流浪行星（二）

    核聚变反应堆则有可能输出足够功率——功率指单位时间內释放的能量——將自身送入轨道，儘管其全生命周期產出的能量，早已远超入轨所需能量。我將这类能实现入轨的假想核聚变反应堆，称为**紧凑型反应堆**。如果能造出这种反应堆，自然再好不过；即便造不出来，我们也有替代方案：用核聚变驱动太空电梯、轨道环、发射环，將物资送出星球。
    一旦脱离星球引力，核聚变反应堆或聚变发动机的功率大小就无关紧要了——持续数小时、数天的缓慢加速，和几分钟內耗尽燃料的快速加速，效果完全一样。这也是为什么离子推进器在太空中很实用，但用於入轨却毫无用处：它能让飞行器达到远超传统火箭的最终速度，但需要漫长时间加速，根本无法突破地球轨道。
    无论是星际旅行还是行星际旅行，花费较长时间加速、减速都无关紧要。顺便一提，我们常说的“聚变火炬推进器”，理论最高速度约为光速的10%——这是携带燃料实现加速、减速能达到的近似极限，不过这个话题我们改天再聊。
    现在，我们来探討核聚变对经济的实际影响。首先，核聚变並非无限能源，但它能利用宇宙中最常见的物质產生能量，单位重量產出的能量，是汽油、煤炭的数百万倍。美国经济体每天需要消耗数艘超级油轮的石油，而一艘装满核聚变燃料的超级油轮，足以支撑美国经济体运转数千年。
    这一点，对於远离太阳、无法使用太阳能的深空定居点而言至关重要：即便需要进口燃料（而非直接提取周围稀薄的宇宙气体），也能在远小於棲息地的空间內，储存可供数百万年使用的能源，维持棲息地运转。接下来，我会通过具体数据计算：维持一个人舒適生活一个世纪（漫长的一生），包括种植食物所需的能量，需要多少核聚变燃料（普通氢或氘）。
    先说说更直接的影响：我们知道，核裂变能提供廉价电力，核聚变更是如此，但廉价电力无法直接用於汽车——我们不可能在汽车里装一座裂变反应堆。说真的，所谓的核能汽车完全是无稽之谈。我们可以用电池，但电池的性能实在太差。如果未来电池能量密度能大幅提升，太阳能会成为更优选择；但如果电池技术没有突破，而我们拥有了核聚变，就能获得源源不断的“汽油”，且无需担心大气中二氧化碳超標。
    为什么会这样？因为化石燃料和碳氢化合物是优质能源：高温下与氧气接触会燃烧，碳氢化合物分解为水、氢和二氧化碳，同时释放热能。这个过程可以逆向操作：將水和二氧化碳重新合成碳氢化合物和氧气。正向燃烧释放能量，逆向合成则需要消耗能量，而且消耗的能量，远多於正向燃烧释放的能量。这並非什么高科技，只是简单的基础化学，目前这么做毫无意义。但如果大型核聚变反应堆能提供近乎无限的廉价能源，即便生產一加仑汽油需要消耗10亿焦耳能量（而汽油本身仅含1.3亿焦耳能量），也无关紧要。
    普通的5號电池售价约1美元，和一加仑汽油价格相差不大，但电池储存的能量还不到汽油的千分之一，充电损耗的能量也远多於储存的能量。但胜在便携，所以依然有价值。而有了廉价核聚变能源，我们就能获得无限、廉价且碳中和的碳氢燃料——只需从空气中提取二氧化碳和水，就能合成。
    当然，如果未来电池能量密度能超过化石燃料，我们就没必要这么做了，但目前我们还没有这种电池，而且电池的能量损耗速度，也远快於汽油。
    有了廉价核聚变，我们不仅拥有廉价能源和燃料，还能拥有廉价化肥。我们常用的氮肥，大多通过哈伯法合成氨製备。有了廉价电力，我们可以电解水获取氢气，再从空气中提取氮气，合成氨——我们曾多次討论过，如何利用这种方法，將当地物质转化为可供呼吸、饮用的资源。
    如此一来，氮肥的成本会大幅降低。至於磷肥等其他主要化肥，获取成本也会下降。磷元素在自然界中分布零散，很少有密集易开採的矿脉，因此成本较高。但有了廉价能源，我们可以通过多种高能耗但简单的方法（甚至离心机这类简单设备），从低浓度矿源中提取磷。
    这个原理適用於所有矿產：即便不考虑这点，核聚变也能让小行星採矿变得经济可行。各类物质的回收利用，成本也会大幅降低，效率显著提升。水资源同理：地球表面70%以上被水覆盖，但淡水资源短缺，因为大部分是无法直接饮用的海水。但有了廉价能源，海水淡化成本会变得极低，足以用於农业灌溉——乾旱將不復存在，因为我们永远不缺水，还有廉价能源灌溉农田。
    我们还能拥有廉价、碳中和的塑料或聚碳酸酯板材，用於建造温室。温室能大幅减少用水量，维持適宜温度，再加上廉价能源供暖，沙漠和冻土都能变成耕地。温室里温度適宜、化肥充足，粮食產量远超工业化前的传统农业，提升数个数量级。
    这还不是全部：你可能听说过垂直农业——多层堆叠种植作物的模式。除了一些夸大其词的文章，现实中垂直农业通常只建几层，原因在於：植物对阳光的利用率本就不高，但也没低到能堆叠几十层种植的程度；而且摩天大楼的建造成本，远高於普通建筑，普通建筑又远低於廉价温室，温室又远低於直接利用土地。
    有人会说，用高效led灯给摩天大楼里的垂直农场补光不就行了？这话没错，但补光需要消耗巨额能源，性价比远不如其他增加粮食產量的方式。但有了廉价核聚变，这一切都不再是问题。
    接下来，我们来计算垂直农业、地下农业、空间站/宇宙飞船水培种植的能耗：生產1卡路里（准確说是1千卡）可食用食物，或是维持一个人一年所需食物，需要多少能量？这个数值很难精准估算，所以为了简化，我会用取整后的粗略数据，而非精確数值。
    先从最原始的狩猎採集时代说起：当时养活一个人，大约需要1平方英里的土地，所有能量都来自太阳能。换算下来，每人每年消耗约10^16焦耳太阳能。
    到了中世纪，20英亩的农田就能养活一个家庭，土地利用率提升了约100倍，每人每年消耗约10^14焦耳能量。
    核聚变的能量转化率约为总质量的1%（即爱因斯坦质能方程e=mc2）：完全质量转化的能量密度约为每千克10^17焦耳，核聚变转化则约为每千克10^15焦耳。
    这意味著：狩猎採集时代，维持一个人一年所需的太阳能，仅需10千克核聚变燃料；前工业化时代，仅需0.1千克，大概一玻璃杯的量。在这个能量尺度下，其他所有能源消耗都微不足道——普通美国人每年消耗数千亿焦耳能量（相当於数千加仑汽油），换算下来，还不到1克核聚变燃料。
    再看现代农业和水培种植：用led灯精准补光，仅提供植物生长所需的光线（植物主要吸收红光，正午阳光的利用率也很低）。数值难以精准计算，但经过优化后，一个客厅或大臥室大小、多层堆叠种植架的空间，消耗约10千瓦电力，就能养活一个人，甚至可以更低，仅需几千瓦。10千瓦的能耗，和人类其他日常活动能耗相当，每年约数千亿焦耳。
    我们还需要肉类、绿叶蔬菜、公共绿地等，因此，我將人类年总能耗粗略估算为1万亿焦耳，仅需1克核聚变燃料。我一直称之为“核聚变燃料”，是因为目前我们还不確定最终会用哪种燃料——普通氢是宇宙中最常见的物质，理论上最理想，但目前研究重点集中在氢、氦的各种同位素上，比如氘（储量依然极其丰富，只是不如普通氢），这类同位素更容易发生核聚变。万事开头难，得一步一步来。
    但这意味著：无论用哪种核聚变燃料，每年1克，就能让一个人过上舒適的生活，即便在远离太阳、只能看到繁星的深空棲息地也不例外。1千克核聚变燃料，足以让一个人一生都过上极其奢华的生活；10吨核聚变燃料，能让一个中等国家大小、拥有10万居民的区域，或是一座大型奥尼尔圆柱体（封闭生態棲息地），依靠人造太阳维持自然生態保护区运转近十年。
    一艘超级油轮大小、从木星运来核聚变燃料的运输船，一次运输的燃料，足以支撑这样的区域运转数千年。记住这个数据，后续我们会反覆提及：宇宙中最常见物质，仅需1千克，就能让一个人一生过上奢华生活，绰绰有余。
    这就是核聚变能源真正的影响力，也是它备受追捧的原因：它不仅能降低电费，摆脱对化石燃料的依赖、解决相关环境问题，更会彻底顛覆资源稀缺的格局，大幅提升人类能舒適承载的人口上限。这场变革，比弓箭、农业、绿色革命带来的变革，加起来还要巨大。
    今天的內容就到这里。下次，我们会按原计划，聊聊流浪行星，届时你会明白，为什么我认为这类星球不仅適合殖民，而且值得殖民。之后，我们会详细讲解旋转棲息地，最后再深入探討星际殖民，以及在核聚变经济背景下，我们对星际殖民的诸多固有认知，会发生怎样的改变。