如何修建巖漿護城河

2021-01-15 我是科學家iScientist


也許你會有很多理由讓你想在房子周圍修一條巖漿護城河,但其中有些理由比其他理由更實在一點。也許你想嚇退小偷,不讓螞蟻進屋,不讓鄰居家小孩偷走你晾在窗臺上的餡餅,或者想在搞家裝的時候來點「中世紀大反派」的風格,再給你的鄰居、消防隊和城市規劃委員會找點刺激。

造巖漿其實相當簡單,至少在理論上很簡單。你需要的原料只不過是石頭和熱量


大部分石頭在800~1 200 攝氏度時就會熔化。這比家用爐子的溫度高,但是用高溫熔爐、木炭爐甚至巨大的放大鏡都可以達到這一溫度。


要為你的巖漿尋找原料,你可以用附近隨便撿到的石頭試試,但是要小心。有些石頭裡包埋著氣體,被加熱時可能會熔化或爆炸。雪城大學的「巖漿計劃」 負責製造巖漿並提供給地質研究和藝術項目,他們用的是來自威斯康星州的有幾十億年歷史的玄武巖。這些玄武巖之所以會形成,是因為北美板塊的核心區中部出現了一條裂縫,大量巖漿從這裡汩汩流出。裂縫最後彌合了,但它留下了一條新月狀的「傷疤」,全是稠密的玄武巖,埋在美國中西部的地下。


如果你在乎的只是擁有一條能把東西點燃的護城河,那你並不一定要堅持不放巖漿巖。你可以試試吹玻璃時用到的熔融玻璃,或者熔點合適的金屬,比如銅。鋁的低熔點意味著它作為護城河材料很不錯,但其熔點低到剛熔化的時候都不怎麼發光。不能發出邪惡的幽光,那還怎麼能算得上是巖漿護城河呢?

 

 

讓巖漿保持熔化很難,因為巖漿會以可見光和紅外輻射的形態,不停向外釋放能量。沒有穩定的熱量輸入,巖漿很快就會冷卻、固化。這意味著你不能簡單地把巖漿化開並倒進護城河裡就宣告完工。為了阻止它冷卻,你得保證有穩定的熱能流入巖漿,以彌補熱量的流失。


你的護城河需要某種內置的加熱設備。


你可以把巖漿護城河想像成一條長而細窄的開放式熔爐。這種類型的工業熔爐一般是用燃氣加熱的,但也有耗電的版本——使用高溫加熱線圈。燃氣加熱的費用會明顯更低,但電熔爐的結構通常更簡單,溫度控制也更精確。不管使用哪種能源,基本的設備構成都是一樣的:一個坩堝盛放巖漿;另一個加熱線圈或熱氣流來加熱坩堝,周圍裝上隔熱層。

巖漿究竟需要多熱呢?我們可以選擇熔點低的原料來降低能量消耗,但溫度太低的話,護城河就不會發光了。

 

要想讓一個東西熱到發光,它的溫度要達到600攝氏度以上。如果你希望像電影裡那樣在白天也能看到明亮的橙黃色的巖漿,那它的溫度就需要達到1000 攝氏度以上


我們可以用巖漿流的研究結果來估算,當巖漿達到指定溫度的時候,護城河會散發出多少熱量。這樣就能知道,你得提供多少熱量才能維持巖漿的融化狀態。

這個圖表告訴我們,900攝氏度的巖漿池每平方米散發出約100千瓦熱量。如果電費是0.1美元/千瓦時,那麼想讓每平方米的巖漿用電維持在900攝氏度,每小時至少需要10美元。如果你的護城河有1米寬,包圍的面積為4 000平方米,那麼想要維持它的熔融狀態,每天大約需要花費6萬美元

1米寬的護城河可能看起來太窄,根本無法阻擋人類入侵者,畢竟人類跳過這樣的溝通常都沒什麼難度。但是,就算人不掉進去,光是巖漿護城河散發的熱量就很危險了。一旦靠近河面,巖漿的熱量強到足以在不到1秒的時間裡造成人體二度燒傷,就連靠近巖漿都可能很難。站在幾米之外的人遭受到的熱流也相當大,《消防員安全手冊》上說,這足以在10秒內讓人裸露的皮膚產生痛覺。

 

1米寬的護城河並非牢不可破,你穿上厚衣服和靴子或許可以毫髮無傷地跳過去,只要別掉進河裡,也別在河兩岸滯留太久。


為了阻擋別人跳過河,你可以把護城河修得更寬,也可以讓巖漿更熱。這兩個選擇都會增加你的開銷,詳見下面這個費用估算表格:

 

迄今為止,我們只討論了加熱巖漿的費用。但如果你要住在一圈巖漿護城河的中央,你還得考慮一下如何為房子降溫。就算護城河與你的房子之間有相當大的距離,巖漿熱輻射最終也會讓房子裡的你熱得受不了。如果房子外牆和護城河之間相距10米,而你站在窗邊,受到的熱輻射已經超過了消防員的熱暴露上限。


讓護城河深陷地下,就能減少抵達房子的熱輻射,並讓更多的熱量往上方走。不過,這樣只能解決一部分問題,因為護城河周圍的地面還是會很熱,並向你不斷輻射熱量。如果颳了一陣風,風就會把一股熱空氣吹到你位於下風口的房子裡。而這就是巖漿護城河的一個固有問題:不管風往哪兒刮,你永遠都在下風口

幸運的是,冷卻房子比加熱護城河要容易。如果你有冷水來源,比如你家附近有泉水或者河流,就讓水流經你的牆壁,把額外的熱量帶走。水的儲熱能力巨大,這意味著你只需花掉很少的泵水費,就能趕走一大批熱量。科技公司用這個方法來冷卻伺服器,谷歌公司就在芬蘭海岸建了個數據中心,讓海水發揮冷卻作用。

你最好也能在護城河之外的地方找到新鮮空氣來源,特別是如果你用的巖漿配方容易散發出有毒氣體的話。幸好,巖漿的熱量可以幫到你。如果你在護城河底下安裝了通風管道,巖漿產生的熱空氣就會上升,並把空氣從低處的管道裡吸上來,這叫作「自然通風」效應。它被應用在工業冷卻塔裡,就像核電站用的那種,可以減少我們獲取冷空氣時對風扇的依賴。

但是要小心。如果你的水冷卻系統是從海裡取水,可能會出現意外堵塞。核電站有時候會被緊急關停,只是因為進水口被一大群水母堵死了。

水母可能會讓你注意到巖漿護城河的更深層問題。造一條巖漿護城河能提供額外的防護,但是護城河也需要額外的基礎建設,而這些基礎建設都各有其弱點。


水母把進水口堵死已經很糟糕了,但是從大反派的角度來看,也許你更應該擔心房子底下的通風管道網絡。因為如果我們從動作電影裡只學到了一件事情的話……


本文選自蘭道爾 · 門羅《How to:如何不切實際地解決實際問題》一書

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[美] 蘭道爾 · 門羅 | 著

Ent | 譯

2020年4月 未讀 | 天津科學技術出版社

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