没了水、煤和光照，宇宙飞船是靠什么发电来维持运转的？

图片来源@视觉中国

文 | 脑极体

"生命从海洋登上陆地是地球生物进化的里程碑，但上岸的鱼再也不是鱼了；同样，真正进入太空的人，再也不是人了。"这段《三体》中的台词，是关于人类飞向外太空后的想象。

在小说中，太空舰队脱离地球流浪在太空，他们只用五分钟就迅速建立了一个迥异于地球规则的新社会，用氛弹将另一艘飞船上的人变成了蛋白质资源……当然，这些都是作者对极端环境的一种个体想象。

不过，有一件事却是可以肯定的， 当人类打算飞向外太空时， 需要改变的认知和习惯比想象中要大得多得多。举个例子，通过太阳光照来获取能源，在地球上已经司空见惯了。但离开了地球大气层之后，人类面对的是一个极其寒冷的宇宙。

外太空的平均温度仅仅比绝对零度高3摄氏度，也就是零下270摄氏度左右，卫星以及国际空间站的设备都需要特别的防寒设计来保证工作。

那么，是不是也需要开发除了太阳热能之外的资源来为未来的人类供应能源呢？

类似的研究其实早已经启动了。最近AIP出版的《应用物理学快报》刊登了一项新的研究成果，可以直接从寒冷的宇宙中获得电力。

用 "寒冷"发电：到底是怎么回事儿？

我们早已习惯了地球上铺天盖地的太阳能电池板，但它们都需要光照才能为人类提供电能。不过，最近美国物理研究所的科学家们研发了一种红外半导体装置，可以从超低温度的外层空间中获取能源，最关键的是，这种设备可以在夜间工作，即使是阴雨雾霾等天气，都可以全天候运行。

那么，它的物理学原理到底是什么呢？

我们知道，传统的太阳能电池板是通过大规模的光电二极管组合而成，通过激发硅等半导体材料中的电子，从而将太阳光转换为电能。

研究人员于是反其道而行之，利用"负照明效应"，即光电二极管的"反向"操作，在热量逃逸回太空时，通过在大气层外布置的红外半导体来收集辐射能量并将其转换成电流。

论文作者、加州斯坦福大学的Shanhui Fan表示，就光电物理而言，在入射辐射和出射辐射之间确实存在非常美丽的对称性。

而实验中捕捉到的可测量电流，也证实了这一概念的可行性，尽管功率小的可怜，只有每平方米64纳瓦。

根据理论测算，目前的设备设计应该能够产生每平方米近4瓦的电能，也就是实验效果的100万倍，足以维持一些低功率设备和机器在夜间运行。论文的另一位作者小野正(Masashi Ono)也表示，这个实验产生的功率远远低于理论极限，接下来会继续从材料等着手提升设备的性能。

当然，相对于未来宇宙空间站的自我运行和人类生活所需要的电力能源来说，利用太空的"冷却辐射"来发电显然处于刚刚开始的状态，并且杯水车薪。

那大家可能会好奇，真的到了需要长期生活在宇宙的那一天，靠啥发电才是正经事？

重新理解电网：太空生存的电从哪里来

告别了地球生活最熟悉的水资源和煤炭发电，宇宙飞船和空间站还能依赖哪些能源什么维持运转呢？最重要的一件事就是，别忘了带上核电站。

当然不是地球上那种庞然大物，比如美国宇航局正在研发的斯特林同位素热电机，就是利用核电技术为未来长期太空生存提供电力支持的。

这种热电机有点像超大号电池，可以被装设在人造卫星、太空探测器与无人遥控设备上，利用热电偶阵列将一些恰当的放射性物质在衰变时释放的热量，转化为电能。

理论上讲，单一"核电池"可以为太空载具提供10-20年的电力供应。并且具有完备的防护措施，以防止释放给人体造成危害的辐射。

当然，星际旅行时间往往都以百年计，咱也不能依靠"核电池"坐吃山空对不对？

我们熟悉的太阳能发电也必须有姓名。

在宇宙空间中利用太阳能资源，就不只是铺上一堆太阳能板那么简单了，需要设计一个密集的太阳能电池阵列。其中，太阳帆板(即太阳冀)被调整地面向太阳，一边给宇宙空间站供电，一边给蓄电池充电。在阴影区，则使用蓄电池供电。

目前用于发电的太阳能帆板都开始采用纳米晶体和有机半导体材料来制作，前者性价比高且性能稳定，后者更适合在太空的超低温环境下运行。

另外这些太阳能电池阵列都需要安装少量推进剂，以便克服太阳光压、星体引力等因素造成的轨道漂移。还需要进行合理的部署，以尽可能防范太空中的小型陨石、太空垃圾等的碰撞。

尽管目前研究人员正在努力开发新的同位素发电机，并试图改进锂电池技术以支持在宇宙极端低温环境下工作，更高性能的太阳能帆板也正在同步研发，试图去往距离太阳更远的宇宙空间工作。

但很显然，仅靠这些设备还是蛮难支撑起动辄数百光年的宇宙飞行的。因此，"负照明"的太阳能发电技术固然能力还非常弱小，但谁知道未来它会不会成为宇宙空间能源技术中的重要成员呢？

说到这里，大家可能会问了，在地球上一个顶N的核聚变发电站，怎么就不配做"太空梦"了呢？带上几个能运转几十万年的"核反应堆"，说走咱就走。

主要原因可能在于，目前人类还没有办法很稳定地控制核聚变反应在太空中作为能源供给。而且目前我们所能建造的核聚变装置，如托克马克装置，体积都很大，不用幻想带着它星际旅行了，在火星等未来人类的聚集地建造可能会更加合适。

宇宙航行需要怎样的能源？

说到这里，我们可以大致总结一下，未来宇宙航行时可能依靠的电力系统究竟长什么样子了？

首先，它必须高度可靠。在星际航行中，可能并没有太多缓冲地带，飞船和空间站中的设备，有些一定是完全不能断电的，比如生命维持系统（冷冻舱），信号接收器，以及最低限度的照明。因此，供电系统也必须高度可靠，至少要能保证在发生故障后及时进行自我修复，或者有足够的储备能源支撑到降落。

因此，研发一些能够在宇宙极端温度下不间断运行的能源设备就显得至关重要了。"负照明"冷却发电的意义也在于此。

第二则是高性能。能够与人类一起流浪宇宙的供电系统，不仅要确保足够的使用寿命，比如飞往冥王星需要10年，飞出太阳系需要20-30年。 与此同时，还不能体积太大太重，给宇宙航行的速度拖后腿，因此供电设备的"能量密度"也就非常重要了。以目前的技术， "核电池"算是综合实力比较高的选择。

当然，考虑到宇宙的特殊生存环境，供电设备还需要经受超强辐射环境和极端温度的考验。 比如金星表面能达到460摄氏度，而木星大气层内则有零下150度。除了在材料学上加强供电装置的强度以外，利用宇宙中温度不均衡、尤其是寒冷的情况来发电，看来也是很有前途的思路呢。

当然，细数人类目前在太空生存上的努力和探索，有些可能是为未来保驾护航的技术"火种"，更多的也可能被时间证明是徒劳与失望。无论如何，如果走向宇宙是人类的终极宿命，那么希望这个壮阔而残酷的旅程永不断电。

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