人类在地球上还能苟多久?|袁岚峰

人类在地球上还能苟多久?这个看似天马行空的问题,其实是可以给出定量解答的。我的朋友、著名科普作家“老和山下的小学僧”写了一篇文章《带着太阳流浪:戴森球》(带着太阳流浪:戴森球 | 老和山下的小学僧),从能源的角度,详细计算了人类在地球上有望获取的各种类型的能源。在地球上的意思,就是没有移民到其他星球,那是我的其他一些朋友如中国科学院上海天文台葛健研究员干的事,他在主持一个寻找“地球2.0”的项目(寻找第二个地球和生命 |葛健)。

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到目前为止,人类使用的能量,包括人力畜力和化石能源,绝大部分都来自太阳。因此,老和山下的小学僧把地球比作一颗大号太阳能电池,从地球诞生以来充电了46亿年,从工业革命以来挥霍了300年。请问以地球的能量,如果让全世界人民都过上现代生活,能够苟多久?按照现在发达国家的人均能源消耗,再假设全球人口稳定在100亿人,那么可以算出,全球共同富裕后每年需要消耗900亿吨标准煤。900亿吨,这就是全人类共同奔小康的代价。

目前化石能源的探明可开采储量是多少呢?石油2300亿吨,煤炭1万亿吨,天然气205万亿立方,一共折合1.3万亿吨标准煤。除以900亿吨,只够用15年而已!难怪大伙要打成一锅粥。

且慢,化石能源还在不断勘探出来,开采技术也在不断进步。如果不管有没有探明、能不能开采,那么可以大致估计地球总共有10万亿吨石油,10万亿吨煤炭,1000万亿立方天然气,折合22.8万亿吨标准煤。这虽然提高了一个量级,但也只够全人类小康250年——真是一个吉利的数字。

下一步,把可燃冰加上。2017年有一个新闻,中国率先实现在海域可燃冰试开采中连续稳定产气,我当时也解读了一番(可燃冰的自白:五万公里黑不倒,我为人类续一秒 | 袁岚峰)。可燃冰就是天然气水合物,主要埋藏在海底,储量巨大,但开采困难,目前还没有实现商业开采。现在估计全球可燃冰的储量是2.1万万亿立方,折合26万亿吨标准煤。可燃冰能够让全人类小康290年,加上前面传统化石燃料的250年,真是应了那句歌词:向天再借500年!

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再来翻翻地球自身的家当,跟太阳没关系的,也就是核能。

已探明的铀储量大约有500万至1000万吨,但考虑到用中子把铀238轰成钚239,就折合14万亿吨标准煤,比已探明的化石燃料1.3万亿吨高了一个量级。无论有没有探明,可开采的铀矿有多少呢?专家估计是3500万吨,这就折合100万亿吨标准煤,可供小康1000年,足足是所有化石燃料加起来的两倍。这下子,来到了千年的量级。

还有一类地球自身的家当,就是地热能,其中80%来源于地球自身放射性元素(如钾40)衰变释放的能量。整个地球的发热功率是442亿千瓦,相当于现在人类文明总功率的两倍。

一个有趣的问题是,你认为地球平均温度是多少?回答是2300度。因为地壳虽然温度低,但只占地球质量的0.4%,而地幔平均温度1100度,占地球质量的68%,地核平均温度高达5000度,占地球质量的31.5%。平均算下来,地球是一个两千多度的天然核反应堆!从这个角度看来,地球蕴含的热量相当于5万亿亿吨标准煤。

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当然,热力学第二定律决定了,我们不可能把地热能都用来做功。即使可以,我们也不能把地球变成冰球啊。专家评估,可利用的地热资源只有总量的十万分之一。那么就相当于5000万亿吨标准煤,可供小康5万5千年。一家伙,又来到了万年的量级。

再开动一下脑筋,还可以在哪里挖潜?回答是潮汐能。我在以前一期评论科幻电影《月球陨落》的节目中(科幻电影中的民科理论,你能看出多少?| 科技袁人),介绍了潮汐的原理。许多人以为潮汐是永动机,这是完全错误的,实际上它来自地球自转的动能和月球的引力势能。潮汐能会因为摩擦而变成热量,导致地球自转变慢,月球远离地球。目前月球与地球的距离每年增加3.8厘米,这会在几亿年后产生可观的效应:人类会失去自己最古老的宇宙景观之一——日全食(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1714186128430665676)。

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潮汐能每天定点定量供应,使用不便,但它提供了一个清奇的思路:利用地球自转的动能发电。地球自转的动能高达900亿亿吨标准煤,足够人类挥霍一亿年。如果不够,还有地球绕着太阳公转的动能,它又是自转动能的一万倍。

我们虽然来到了亿年的量级,但如果沦落到要靠地球、月球的动能苟且偷生,是不是太惨了点?其实大图景是这样:星球的动能来自太阳系演化早期的引力势能,它跟化石能源相比是巨无霸,但跟真正的土豪相比就是小儿科了。真正的土豪是什么?熟悉我节目的朋友们肯定知道,就是核聚变。宇宙中绝大部分物质是氢,核聚变才是宇宙中最常规的能源。

最容易发生的是氘氚聚变,如果搞成了,大海里有45万亿吨氘,足够我们奔小康50亿年。如果把氘氘聚变也搞成了,就一家伙足够用一亿亿年。宇宙目前的年龄也不过137亿年而已!

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回过头看,人类诞生200万年,不过是消耗了化石能源的一个零头,化石能源不过是核能、地热能的一个零头,核能、地热能不过是聚变能的零头的零头……人类连地球能源的零头的零头的零头的零头都尚未完全发掘,科技水平有多高,大家心里有数了吧。

琢磨完了地球的潜力,下面进入天马行空时间。如果真的搞定了聚变,人类就可以纵横太阳系,去月球出差就相当于现在去北京出差,人均能耗必然暴涨。所以原来能苟一亿亿年的,也许只够用一亿年了。那么一亿年之后,又该怎么办?

回答是看向太阳系。木星和土星是太阳系最大的两颗行星,它们的质量加起来是地球的413倍,而且75%以上都是氢。所以地球如果真要流浪,请千万记得把这俩燃料罐带上。

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如果还是不够呢?请想想,太阳系里最大的扛把子是谁?回答当然是太阳,它占了整个太阳系质量的99.86%,而且全都是燃料。换句话说,整个太阳系的能源几乎都在太阳上,地球那点家当不知排在小数点后多少位!太阳对外辐射1秒钟的能量,就足够全球人民小康15万年,其中只有22亿分之一照到了地球,再其中的万分之一被人类利用,实在太浪费了!

这就顺理成章引出了戴森球的想法(想为新冠疫情出一份力?有电脑就行!| 科技袁周虑第40期),即造一个壳子把太阳包起来,接收到太阳发出的大部分光。这对人类的能量,立刻就是一个22亿倍的提升。

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人无远虑,必有近忧。当我们掌握了太阳的能量后,视线就会放到太阳系之外。在50亿年后太阳变成红巨星之前,我们有可能被什么搞死?例如700光年外的猎户座α星在几百万年内发生超新星爆炸放出的伽马射线,例如40亿年后银河系与仙女座星系的相撞……(天地大冲撞!人类会毁于星系合并吗? | 袁岚峰)为了应对这些,我们就需要在宇宙中改变地球的位置。

《流浪地球》谈的是抛弃太阳去流浪,但从另一个角度看,太阳就是我们最大的资产,所以有人提出了,带着太阳去流浪。这不是科幻,而是正儿八经的学术文章。2019年12月,美国天体物理学家马修·卡普兰(Matthew E. Caplan)基于前人的研究,在《宇航学报》(Acta Astronautica)上提出了一种推动恒星的发动机模型(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576519312457),原则上只需要现有的物理理论就能实现。

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第一,建造一个戴森球。

第二,利用戴森球反射阳光到太阳某一点,使其加热到极高温度,从而掀起大量氢和氦。

第三,收集氢和氦,注入到聚变发动机内,变成两束高速等离子体喷射出去。

第四,其中一束向后喷射,作为推动太阳的动力,另一束喷向太阳,维持引擎和太阳的距离,防止引擎坠落太阳。

根据卡普兰的计算,这个引擎每秒燃烧数百万吨物质,可以在100万年内将太阳系整体移动50光年,足够逃脱超新星伽马爆或恒星相撞的威胁。

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你也许会担心,这么烧下去,太阳岂不是很快就烧完了?答案是正好相反,恒星的质量越大烧得越快,质量越小烧得越慢。这种引擎从太阳薅了大量物质,反而可以延长太阳寿命,太阳系保持宜居状态的时间会多出几十亿年。

太阳用完了以后怎么办呢?那时我们可以换一颗太阳,继续推着恒星走出银河系,穿越各大星系,游历整个宇宙!

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此情此景令我想起《古诗十九首》:“生年不满百,常怀千岁忧。昼短苦夜长,何不秉烛游。”只不过,这次我们秉的烛是太阳!

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不过,真正的危机也许刚刚开始。近年来,天文学家发现1480光年外的天鹅座KIC8462852恒星的亮度在短时间内快速下降,像是被什么东西遮住了,目前还没有靠谱的解释。一个猜想是,那边的智慧文明正在建设戴森球。这也启发我们,如果地球开始建设戴森球,会不会被三体文明盯上呢?光粒打击是不是已经在路上了?

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