
另一些舊討論:
此文由 Fyrix 发表:
>其实第五阶段还用不上超科技的东东,我设想有两个重要标志:
> 1.戴森球开始成型. 不过还不算球状,只是黄道面附近,一天文单位(半径500
>光秒),倾角在30度内的若干圈戴森环.非要有战争的话,就是争夺低倾角的环形殖
>民地轨道圈之间的战斗. 由于黄道面的殖民地的吨位成本最低,小行星带,行星都
>位于这个平面,材料方便.如果倾角大的话,殖民地吨位的变轨成本就远高于开采,
>加工,运输的成本.想想看,给公转速度在30km/s的材料环绕方向改变30度,成本至
>少相当于15km/s的变速,一个殖民地单元就要几亿吨的结构材料,这个成本就是廉
>价的太阳能浮游电磁投射轨道也很吃力的. 随着黄道面倾角较低(30度角内)的殖
>民地环形轨道圈次第完工,低倾角轨道分配的矛盾开始激化,第一次戴森环战争就
>该华丽滴爆发鸟.
這個變速成本是可以計算地:
讓1億噸材料產生15km/s之ΔV的能源為:
0.5*(10y11)*(15*10y3)y2=11,250,000,000,000,000,000j = 11.25*10^18j
1AU之日光通量為1.368 kW/m^2
假設戴森球建造的年代,光電轉換效率達到90%,則1AU光電系統單位面積能量密
度為:
1.231 kW/m^2,或者1.231 GW/km^2
這裡需要考慮一個Earthpower的概念,所謂Earthpower,是指地球從太陽獲得的
能量,也就是地球遮罩的日光面積。這是6378km半徑的圓型,面積大約是
127,796,483km^2。這個面積日光通量大約是1.748*10^17W,以90%光電功率計算
1.573*10^17W的能源輸出。
以一個Earthpower的功率輸出加速1億噸物資,使之得到15km/s之ΔV共需時:
11.25*10y18/(1.573*10y17)=71.5s
也就是說,只要大約71.5秒就可以了。如果考慮50%的中途能源轉換損失,那也
只需要加倍即可。因此擁有Earthpower單位文明要建造巨型太空建造物,其實是
很容易的。
注意,1個Earthpower的概念電站的大小並不是固定的。如果在1AU的距離,代表
與地球同直徑的原型光電陣列。如果距離拉近,譬如說在離太陽0.1AU的近距離
光電陣列,因為距離只有1/10,日光通量達到100倍。因此光電陣列面積需求縮
減100倍,半徑則縮減10倍,由6378km縮減至637.8km。
而不管是6378km還是637.8km半徑的光電陣列,在二級文明來說是輕而易舉的。
甚至一級文明初期到中期就有可能建造了。
另外附帶一提,15km/s之ΔV有可能使用MD,不過也有可能用離子引擎。這個ΔV
是很低的,有Earthpower光電站的支持使用電推進離子引擎也是有可能接受的。
ps:太空MassDriver的想像圖:
http://www.nada.kth.se/%7Easa/bilder/accstar.jpg
補充一下,戴森球建立完畢後,遮罩全部太陽能量。此時得到的能源輸出被稱為
Sunpower。而Sunpower的能量是固定的,總量不隨距離改變,日光通量大約是
3.847*10^26W,以90%轉換率計算大約是3.462*10^26W,約為Earthpower的
2.20*10y9倍,也就是22億倍左右。
也就是說,地球基礎的2級文明的能源運用總量是1級文明的22億倍。注意這個數
字是以太陽系為基礎。如果是其他的星系擁有較大質量與輸出的太陽,文明起源
星直徑不同、與太陽的距離不同,則此比例就不同。一般的說法是大約100億倍
的差距。
> 2.反物质量产 近日轨道(水星-金星)级别太阳能对撞机的反物质工厂产量达
>到吨级/秒.宏大的太阳能电池板阵列甚至地球轨道上肉眼可见. 注意,纯粹的反
>物质炉是很奢侈的做法.一般反物质用在湮灭-聚变的混合模式更好些,可以极大
>提高聚变堆输出功率和发动机功率,把行星际战斗的巡航速度提升一个数量级.
>战斗时,直接发射反物质弹也不是什么好主意,高亚光速的粒子束的能量远大于本
>身的静止质量,静止质量的湮灭能量奖励实在没什么帮助. 用昂贵的反物质发动
>机可以第一次实现生命周期内的恒星际往返科考,不过收益和现在的登月一样是
>浮云.
反物質昂貴是初期不足以建造大型建築物的時候。有點像現在He3昂貴的原因。
He3昂貴是因為地球不產,然後要在太空開採成本太高,即使在土星木星開採,
環境也很嚴苛。太空殖民的發展會讓He3的價格降下來,但是不太可能降到和石
油相同的等級。
反物質的情況也是一樣。當開始大規模開採提煉He3的時後,離大規模生產反物
質的近日軌道工廠還有一段時間。所以此時反物質會比較貴。但是注意,反物質
和He3的成本差距,會遠比He3和石油的差距小的多了。因為當能夠大規模開採
He3的時候,相關的技術離開採反物質只是時間與資本(主要是燃料)累積的問題。
計算一下反物質開採效率:
1kg反物質儲能為:
(3*10y8)y2=90,000,000,000,000,000j = 9*10^16J
以一個Earthpower輸出來推動加速器生產反物質。假設最終轉換效率是50%(單次
反應轉換率可能很低,但是未轉換能量可以回收再轉到串列中的下一個加速器,
以此逐級使用增加總效率),則反物質產量為:
1.573*10y17/2/(9*10y16)=0.874kg
也就是每秒0.874kg的產量。這樣秒日年產量為:
0.874kg/75,513.6kg(75t)/27,562,464kg(27,562t)
要達到1t/s的產量,約需使用1144個Earthpower電站。以這麼多電站的情況,應
該會建立在0.1AU以內的近日區以節省建造資源。1t/s的反物質產量的秒日年產
量分別為:
1t/86,400t/31,536,000t
不過1t/s的產量可能只有2級文明用的到,1級文明是用不完的。
比較一下,作為理論聚變推進極限的D+He3反應的Conversion Fraction大約是
257,也就是說他的能量效率大約是反物質的1/257。混入推進劑的話比例與效率
會下降,譬如Daedalus引擎的理論轉換分率大約是1519左右。也就是說,單以能
量效率為例,1kg反物質相當於1.519t的Daedalus聚變燃料。這只是能量效率,
如果考慮Vc與比衝的指數累積效果,這個數字會更高。不過單以能量效率計算,
把上面的反物質產量折算成等量的Daedalus等級聚變燃料,則為:
每秒0.874kg的反物質產量的等量Daedalus等級聚變燃料秒日年產量:
1.328t/114,705t/41,867,383t
每秒1t的反物質產量的等量Daedalus等級聚變燃料秒日年產量:
1519t/131,241,600t/47,903,184,000t
注意上述只是能量效率。用作太空船推進的話會更高。
附帶一提,關於太空時代初期的He3開採速度,有一個粗略速度可以做參考:
Project Daedalus的燃料不可能由地球獲得。BIS的建議是由木星開採,5萬噸燃
料的開採估計約需時3~5年,這樣產量約為10000~17000t。當然這是太空探險時
代初期,小規模星間航行的產量。
根據後續其他人的研究、土星、天王星與海王星等雖然比較遠,但是重力井淺的
多,因此開採成本會比木星低很多,產量也會比較高,不過應該不會超過一個數
量級,應該在5~10倍之間。
個人認為開始進行大規模行星間航行年代,合理的聚變燃料年產量應該在
100~1000萬噸左右。
這不是說不會有更高的產量,而是當可以達到500~1000萬噸的燃料年產量時候,
靠著這些燃料建造的大規模反物質生產工廠應該已經完工了。或者簡單的說,近
日的Earthpower電站該建好至少一座了。而只要一個Earthpower電站,年產出來
的反物質就相當於至少4000萬噸的聚變燃料。再考慮Earthpower電站(<1AU)遠較
巨行星He3開採場(3~10AU)近的距離與質量,顯然沒有必要再擴大聚變燃料站,
而是應該反過來縮減聚變燃料需求,增加對反物質燃料的應用。
也就是說,聚變燃料盛行與大規模運用的時間大約只有太空時期初期的100~200
年(從開始殖民到Earthpower電站建立完畢的時間),之後就會全面轉向反物質應
用。同樣的反物質比聚變燃料貴的情況也只會在這段時間內發生。一但
Earthpower電站建立完畢,反物質的成本會很快降到聚變燃料無法競爭的地步。
注意,這個成本並不是重量成本。根據上述分析一個Earthpower電站的反物質年
產量約27,562t,單就重量而言只有同期聚變燃料年產量1000萬t的0.3%不到。問
題在於同重量的能源效率上,反物質至少大約是聚變燃料的257~1519倍。因此等
重的燃料譬如同樣1t的情況下,只要反物質的成本低於聚變燃料的257~1519倍,
那就是划算的(當然須考慮儲存與運輸修正)。
而實際上,Earthpower電站建立之後,反物質工廠的操作成本是很低的,能源完
全來自太陽。相比起來遠地巨行星的聚變燃料開採場需要靠核電(消耗自己開採
的燃料),加上燃料質量與距離等運輸成本,所以當Earthpower電站建立之後,
很可能出現反物質反而會比等重的聚變燃料便宜的情況。這個時候聚變引擎顯然
不可能有任何活路。
所以這就是我認為氫聚變沒有希望發展的原因了。因為反物質很快就會扼殺聚變
引擎的發展,其中的100~200年時間差距只是資本財力累積時間而非技術差距。
而這段時間不足以完成氫聚變開發.....
另外同樣根據上述理由,在聚變燃料可能比反物質貴的情況下,反物質/聚變引
擎的發展機會不大。比較可能的是注入推進劑以降低比衝增加推力的反物質引擎,
不然就是用反物質提供環境誘發一些起始條件更高的聚變(氫聚變還是不可能,
條件太高了)。
附帶一提,假如Earthpower電站以50%輸出生產反物質,以10%供給民生用途,以
40%供給MD建造殖民地,則前述推進1億噸資材的時間增加到179秒。
>第六阶段就是Warp,跨恒星殖民,银河帝国,基地,杨威利,天顶星之类缥缈的东东
>了吧.
這是介於2級~3級的文明。應該是使用不可想像的未來科技了...
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 202.145.85.99
