核聚變是不是星際航行中最基礎的燃料能源?答案——是的

2020-12-06 星宇飄零

首先要說:這是必然的,核聚變絕對是星際航行中最基礎最低級的能源了,不能再低了……

為什麼這麼說?因為在已知能源中比核聚變能量轉化率略低的就是核裂變,但核裂變的燃料補給太困難了,能用於核裂變的放射性元素可不是哪裡都有的,在星際航行過程中基本上難以補給,因此它不適用於星際航行。

目前的主流——化學燃料

而比核裂變再差一點的似乎就是化學能了,這能量轉化率就比核能差太遠了……這其中效率最高的也許就是氫氧反應了,倒不是說它釋放能量最大,而是它的質能轉化率比較高,因為氫比較輕啊,技術困難在於其存儲方式,由於常溫下氫為氣體,無法大量攜帶,因此必須把它壓縮為液態。目前的燃料火箭也開始有使用液態氫作為燃料。然而化學反應的能量釋放率實在太低了,即使是氫也是很低很低的,基本上就是只能靠多裝燃料來提高速度,然而多裝燃料就會導致飛船初始質量過大,這又導致需要裝更多的燃料才能達到預定速度,這正是目前航天的困難所在。目前登月火箭的燃料質量大約佔到總發射質量的80%左右,而所能達到的速度也就20km/s不到,連光速的萬分之一都達不到……跑一光年得上萬年,去最近一顆恆星都得好幾萬年,因此化學燃料根本不適合星際航行,雖然它補給相對較容易,但是它的效率實在太低了……

再往下就沒必要討論了,難道還用TNT不成?……因此核聚變似乎成了星際航行的最低要求了……

理想的飛船發動機能源——核聚變

那麼核聚變能達到星際航行的要求嗎?由於目前人類還沒掌握可控核聚變技術,也沒有找到可以抵禦核聚變高溫輻射的絕熱材料來製造核聚變發動機,也不知道核聚變發動機的具體工作原理……所以本文將忽略一切工程技術方面的問題,假裝它們都解決了,單純從物理層面討論核聚變能不能做星際航行的燃料。

在所有核聚變反應中,氫核聚變的能量轉化效率是最高的,整個轉化過程大約可以產生0.7%的能量輸出。雖然它的聚變難度遠高於其同位素氘、氚和氦同位素氦3,但它的轉化率是最高的了,既然我們忽略了技術困難,就直接拿氫來做燃料好了。

用氫作燃料的另一個原因是因為我以前算過它的極限速度,由於計算過程夠我專門寫一篇文章了,因此我不想在這篇文章裡寫計算過程,用氫的話直接用我之前的數據就可以了。我們假設氫核聚變產生的所有能量都作用到剩餘質量上,加速全部剩餘質量向後噴射,也就是用轉換出來的0.7%的能量全部成為剩下的氦核、電子、中微子的動能,根據計算大約可以使它們加速到0.12c,也就是光速的12%左右。這就是核聚變燃料所能產生的極限速度了,只有在飛船燃料佔比趨近100%時,飛船的極限速度才能趨近於0.12c……

然而我必須聲明,飛船是不能把所有能量全都用來加速的,因為它還要減速啊,除了減速所必須的燃料,還得留一部分用於轉向、飛船外的防護和飛船內的能源供給。這樣飛船大概最多只能達到極限速度的60%左右,也就是0.12x0.6≈0.072c,也就是光速的十分之一不到……

對於廣闊的宇宙空間而言,0.072c的速度實在低得可憐,但近距離恆星的星際航行還是勉強夠得著的,比如去一趟最近的比鄰星找三體人聊聊天大約需要航行60年,一輩子勉強能跑過去一趟……

宇宙那麼大,我想去看看…… …… ~星宇飄零~ …… ……

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