戴森球计划太阳能位置，戴森球计划太阳怎么开采

1960年物理学家

弗里曼·戴森

请从有远见的角度提出这一预测。有一天，先进的外星文明将不再关注风力涡轮机和核反应堆等幼儿园级别的东西，而是从更大的图案开始，设计完全包围它们的恒星。发挥出你所有的能量。他们可以“开采”这些大量的能量，并用它来拍摄社交媒体的短视频，探索宇宙最深处的秘密，并享受玛苏能源取之不尽的文明成果。

但如果有一天我们兴奋地发现这样的外星文明就是我们自己的，

毛织物？如果我们围绕太阳创建一个戴森球

会发生什么？这对我们来说也可能吗？重新部署太阳能发电系统需要多少能源？人类文明需要多长时间才能看到回报？在你从理论上思考是否可以之前，你必须首先考虑这一点。决定是否值得建造它。通过创建戴森球是否会获得净能量？

“戴森球计划”

我想提前澄清一下，作者是理论宇宙学家，而不是工程师。我不知道如何建造一座桥梁，更不用说重建太阳系的项目了。但没有人知道如何应对如此巨大的工程挑战。不可能确切地说出在哪些领域需要哪些进步来建造一个甚至部分围绕太阳的结构。对此进行推测就像科幻小说一样，虽然很有趣，但效率不高。戴森球的艺术渲染（CC BY 2.0）

但我所知道的是物理定律。

，可以讨论戴森球背后的一些物理原理。你可以建造一个戴森球作为思想实验

，探索能量、轨道和运动的基本原理。这个很重要。因为无论我们的后代在能够撕裂行星的魔法技术上取得了多少进步，他们仍然必须面对冷酷的物理定律。他们无法免费获得某些东西。如果你想改造地球，你就必须消耗能量。如果你想将一座山大小的太阳能电池板移至另一个轨道，你还需要能量。由于这些和许多其他原因，建造戴森球会消耗能量。下面，我们将讨论建造建筑物需要多长时间才能收回能源投资，以及最小化初始投资的最佳设计是什么。需要做出许多假设才能获得用于计算的初始数据。人们喜欢嘲笑物理学家，他们有时将复杂的问题简化得面目全非。有一个经典的笑话，讲的是一位奶农去附近的一所大学解释为什么他的奶牛产奶量这么少。物理学家的反应首先假设牛是球形的。但物理学家从第一天起就接受了简化的训练，因为这种简化具有巨大的力量。首先，当您对确切数据不感兴趣时，您可以在早期阶段回答问题。这里对可行性的粗略了解就足够了。 —— 构建戴森球需要（相对）低、中等或高能量吗？其次，简化问题隐藏错误（无论是在计算中还是在初始假设中）很有帮助。如果您要寻找的只是近似结果，则因子2（或10 或100）不会对计算的整体直觉产生太大影响。毕竟，我们实际上并不知道如何建造戴森球。因此，如果您尝试更复杂的事情，您最终只会引入更多假设来处理所有细节。所有假设都会增加我们得出的数字的不确定性，而这种不确定性最终可能会隐藏在分析中。

，而不仅仅是预先声明。

做出假设

本文稍后将讨论该假设。请随意修改。作者衷心希望本文不是提供构建戴森球的公式，而是为更有趣的讨论提供思路。我们的目标是将整个地球变成太阳能收集器。我们不知道也不关心我们的后代用什么来捕获和储存能量。因此，本文假设我们的能量收集器。

因为戴森球的组件（例如）是由石头状态的材料制成的，因此这些材料的平均密度大约与地球的密度相同，就像太阳能电池板的情况一样。在本文中，我们在拆卸其他行星时维持这一假设（仅关注必要的岩石部分）。本文还假设构建戴森球所需的任何元素都以所需的量存在于原材料中。我认为这是一个相当合理的假设。毕竟，我们正在谈论掏空整个星球并将其变成其他东西，因此有很多材料可供使用。最后，我们假设整个戴森球具有均匀的厚度和密度，这样球体的任何部分都可以充分近似整体结构。无论您看到的是原始戴森球还是只是一大堆太阳能电池板，都没关系。无论如何，当我们将能量收集结构置于特定轨道时，我们所关心的只是球体中被能量收集结构覆盖的部分。当谈到太阳能电池板的厚度和效率时，请在考虑您的选择时重新审视这些数字。

将地球撕裂

即使我们用太阳能电池板覆盖整个地球表面，我们也只能捕获不到太阳产生的总能量的十亿分之一。大部分能量被辐射到真空中而无法被利用。如果我们想建立一个“伟大的银河文明”国家，我们就需要停止能源的辐射。因此，需要进行一些更改。我们不想只在地球表面接收太阳能，而是希望将其传播到整个地球。

并获得更多的能量。地面安装太阳能电池板图片来源网络|

因此，我们计划将地球拆开，制造出一块围绕地球运行的巨大薄片，每个面板都会捕获阳光并将其转化为能量。为了直观地理解这有多困难，我们可以引入一个称为结合能的量。构成地球的所有粒子都通过相互引力结合在一起。如果你想让地球塌陷，你可以想象一次取出一个粒子并以逃逸速度将其吐出。随着工作的进展，这个过程变得更加容易，因为随着每个粒子的远离，地球的重力逐渐减小。

，下一个粒子的逃逸速度略有下降。最终，所有粒子都将从地球上消失，我们的世界将正式崩溃。事实上，人类已经在这样做了，并且已经将10,000 到20,000 吨物质送入轨道及更远的地方（并且还有大量物质留在那里）。我们只剩下5,971,999,999,999,999,990,000 吨可供发送，但我们已步入正轨。我们的后代可能会想出一些非常聪明的方法来结合能量并最大限度地减少将地球加工成一系列板块所需的努力。

我们可以更好地估计实现这一目标所需的能量。对于地球来说，我们的键能约为焦耳。相比之下，全人类每年仅消耗33,354焦耳的能量，即万亿分之一焦耳的能量。假设地球的拆除已经完成，那么是时候重新定位地球以覆盖尽可能多的球体，并利用它来收集比我们目前拥有的更多的太阳能。准备好回答重要问题：“需要多长时间？”

我们是否能够恢复当初撕裂地球所消耗的能量？假设太阳能电池板厚度为1 公里，其表面积大约相当于地球表面的2000 边。但它只能捕获轨道上约0.0004%的阳光，因此无法完全覆盖太阳。尽管如此，与我们在一个完整的星球上所能获得的相比，这仍然是一个显着的进步。我们的太阳每秒发出约100 焦耳的能量。假设我们的能量转换效率为10%，那么仅捕获一小部分太阳能就可以让我们在短短6 万年内获得撕裂地球所需的能量。考虑到我们正在运行的大型项目的规模，这还不错。如果我们能够将太阳能电池板的厚度减少到1 米，并将效率提高到90%，我们就可以在几年内收回这些能源投资。从那时起，一切都是大自然的恩赐。那么其他行星呢？如果你如此爱地球，以至于它崩溃了，那也没关系。 —— 如果你能摧毁地球，你就能摧毁任何行星。水星的好处是它离太阳已经很近了

，因此，划分它可以让我们覆盖更大部分的太阳辐射能。然而，地球很小，可供利用的材料很少。水星上一公里厚的太阳能电池板可以捕获0.0001% 的太阳能。在10% 的效率下，分解水星的能量成本将在大约1000 年内收回。我们的能量收集器采用1 米厚的太阳能电池板，效率高达90%，面积相当于地球表面积的10 万多平方米，不到一年就能收回成本。另一方面，木星是太阳系中迄今为止发现的最重的行星，因此它应该有助于建造一个巨大的戴森球。但木星主要由气体构成，只有大约五个地球大小的固体物质埋在大部分无用的气体下面（理论上，我们不确定）。整个地球将不得不被分解，其大部分质量甚至无法使用。地球的表面积总共约为10,000 平方米，但木星的遥远轨道覆盖范围没有水星那么大。考虑到分离这颗天然气巨星的巨大成本，需要数亿年才能收回能源投资。通过改用更薄的太阳能电池板并假设更高的转换效率，情况得到了一定程度的改善，仅仅几十万年后就有可能实现正的投资回报率。然而，我们不是一个特别有耐心的文明，所以这很难采用。

《移山计划》

所有上述计算均假设每个行星的物质仍保留在其当前轨道上。但如果我们要重建我们的太阳系，就让我们不惜一切代价。给定表面积可以捕获的辐射量随着能量收集器与太阳的距离的平方反比而减少。减少太阳能收集器和太阳之间的距离会增加收集到的能量。如果我们可以将行星碎片移动到更近的轨道怎么办？

，可以覆盖大部分太阳能输出。太阳系行星相对位置图片来源pixabay

但天下没有免费的午餐。是的，太阳位于太阳系引力势井的中心，因此从某个角度来看它比其他行星“低”。您可能认为将物体移近太阳并不需要太多能量。但行星已经处于高轨道上，要改变轨道，必须首先改变速度。有很多方法可以将物体从一个轨道移动到另一个轨道。我们的计算使用霍曼变换，这可能是最简单的计算。在我们的例子中，要移动行星，它必须首先减速，使其落向太阳。然而，当它接近太阳时，它的速度会增加。如果我们不采取进一步行动，行星将绕太阳运行，并以长椭圆形返回到起点。这没有多大帮助，因此您必须再次按下它才能停在所需的轨道上。我喜欢将霍曼的转会视为卡车版的跑下山并将球交给朋友。首先，你需要踢球使其移动。这需要能量。球继续滚动并在移动时加速。如果你的朋友什么都不做，球就会滚到你朋友的面前。相反，他们必须再次踢球，再次释放能量才能将球保持在脚下。 vis-viva 方程（机械能守恒）可用于估计行星轨道和速度之间的关系，以及从一个轨道移动到另一轨道所需的能量。 Vis-viva 在拉丁语中意为“生命力”（动能），是中世纪能量和运动概念的遗迹。但我保证我们的后代将继续使用它来计算行星旅行的能源成本。回想一下地球，永远不可能指望一块几公里厚的戴森面板能够捕获所有的太阳输出。但如果我们再靠近一点，也许我们就能做到。将地球移动当前轨道半径的十分之一（或0.1 个天文单位）将覆盖太阳能量输出—— 的0.04%，即100 倍。但移动地球所需的能量大约是拆除地球所需能量的十倍。值得庆幸的是，随着能量回收百分比的增加，投资回收期缩短至仅10,000 年，即使对于效率仅为10% 的太阳能电池板也是如此。然后我们就可以在未来的许多年里享受额外捕获的能量。水星改变轨道没有任何好处。将其减少到0.1 个天文单位会增加能源成本并将投资回收期延长至数千年。如果将木星移动到相同的轨道，或者至少将其岩石核心移动到相同的轨道（允许氢和氦漂移回原来的轨道），—— 将耗散大量的能量，大约为焦耳。做。通过我们的努力，我们可以覆盖近20%的太阳。仍需要超过一百万年的时间才能看到积极的投资回报，但之后的努力将完全值得。当1 米厚的更薄太阳能电池板以90% 的效率运行时，情况就完全改变了。在0.1 个天文单位的轨道上，地球遮挡了三分之一的太阳，并在大约一年内提供能源投资回报。对于木星，您甚至不必一直达到0.1 AU。进一步移动大约30%，您就可以实现难以想象的效果：完全包围太阳。只需要几百年的时间就能收回能源成本，从此我们就能够充分利用太阳的产出。现在我们知道，根据我们的技术水平和建设能力，我们可以遵循戴森的建议，重建我们的太阳系，以捕获太阳能输出的很大一部分，并将该能源用于我们想要的任何目的。然而，正如我在开头提到的，我不知道如何实际组装Dyson Sphere ——。您可以将其作为您的工程师朋友的家庭作业。作者：

保罗·萨特

翻译：好事将会发生

审稿人：*0 原标题：什么是戴森球|

翻译内容仅代表作者观点

不代表中国科学院物理研究所立场。

编辑：*0