能源是人类文明存在发展的基础,自工业革命以来人类对能源的需求呈现指数大爆式的增长,能源不足的问题因而成为限制人类文明持续增长的瓶颈。或许有人会提出使用核能,但地球上所有可用于核反应的铀质量仅为4730亿吨,可以产生3.93万亿亿焦耳的能量。对于只有0.73级文明的当今人类而言足够使用约6252万年,但对于一个1.3级文明而言仅够使用125年。
核裂变发电对物质的利用率仅有0.05%,或许利用氢氦进行核聚变反应的可控核聚变技术相比核裂变发电可以提供更多能量,但是核聚变发电对物质的利用率也仅上升了10倍,上升到0.5%。下图是一座核电站。
根据卡达尔肖夫文明指数,文明指数每提升1级,其生产力和能耗便往上翻100亿倍。工业革命以来人类保持年均2.5%的指数式增长,意味着人类对能源的需求量在呈指数增长,而指数增长的特点是指数大爆炸:随着时间的增长,函数的数字越来越大、增速越来越快。下图是研究者对2100年前发展速度的预测,乐观者认为至2100年由0.73级文明提升至0.77级文明,悲观者则认为仅能提升至0.75级文明。乐观的学者相信300年内人类就可以发展到1级文明。
当人类文明继续发展,地球上那点少的可怜的资源还不够塞牙缝。所以人类必将在太阳系中寻找拥有更多的星球,比如木星和土星,利用巨行星上庞大的氢和氦进行可控核聚变发电。但终有一天太阳系各行星中的资源储量相比人类的需求量也相形见绌,这时建造一个戴森云便成为唯一的选择。下图是戴森球(云)的提出者弗里曼.戴森,他是美国著名物理学家,也是20世纪物理学大师之一。
太阳是太阳系的王,太阳系99%以上的物质集中在太阳,并且太阳源源不断以辐射形式向宇宙空间释放能量,这些能量大约有382.8亿亿亿瓦特,尽管地球接收到的太阳能只有太阳总输出的22亿分之一,但那也有17.4亿亿瓦特的能量。下图展示了太阳系的形成过程。
若是对地面太阳能可以全部利用,可以保证人类达到1.12级文明——行星级文明。下图是沙漠中的太阳能电池板,这种类型的电池板是未来规模化利用太阳能的雏形,我们在建造戴森球可能会现在地球、月球和殖民星球大气层外围建造大量用于吸收太阳能的电池板群,这种电池板群可以视为缩小版的戴森云。
如果太阳辐射的全部能量可以利用,便可以保证人类顺利发展至2.06级文明的能源需求,2级文明即卡达尔肖夫理论中的恒星文明。其实本质上利用太阳能也是可控核聚变发电的一种,毕竟太阳本身就是太阳系中最大的核聚变发电站。下图是望远镜拍摄的太阳照片,我们的太阳是一颗主序星,其已经在宇宙中存在50亿年之久。
直接建造一个完全罩住太阳的盖子似乎不是一个可行的选择,因为这么大的建筑在物体的撞击下无比脆弱,非常容易散架跌入太阳中。更为可行的方案是建造由3亿亿台大小为1平方千米的能收集太阳辐射能并定向传输能量的太阳能电池板卫星组成的环绕太阳运行的戴森云,其总质量在10亿亿吨以上。下图显示了戴森云的建造过程,戴森云一旦建成将成为太阳系中最伟大的工程。
问题在于如何建造戴森云呢?其实在工程上并不是十分困难,距离太阳最近的星球是水星,我们可以考虑在水星上建立制造工厂,材料可以直接取自水星,水星的总质量为3.3万亿亿吨,且金属含量丰富。下图是水星照片,这是一颗岩石星球,不过在尺寸上仅比月球略大。
水星毕竟距太阳太近,距太阳仅4600万到7000万公里,所以水星表面的最高温有430摄氏度,最低度可降至零下190摄氏度,显然人类难以在水星上持续工作。况且人类的体力弱小,持续工作的生理极限有限。所以我们在水星的戴森云建造工厂需要大量机器人工作,同时留守少量人类做为监工。相配套的还需要在水星上建设生产机器人的工厂,太阳能发电站,火箭发射基地,以上设施均为无人操作。下图是21世纪的无人工厂,随着AI技术的进一步发展,到未来世界中机器人将规模化用于生产和生活。
我们需要对水星一整个星球进行分解,这是一项工程量无比庞大的项目。所以我们可以向水星上发射一个机器人,在机器人抵达水星后利用水星上的资源建造起一个面积为1平方千米的太阳能电池板,这将为我们接下来的事业提供能源。然后机器人建造起戴森云建造基地的其他基础设施,包括采矿工厂、机器人生产工厂、用于发射卫星的电磁轨道炮系统等。下图是电磁轨道炮示意,21世纪的电磁轨道炮系统研究已经用于军事领域,比如用于核航母的电磁弹射系统。
建造好的太阳能电池板将被打包在卫星中通过电磁轨道炮发射至太空中,在进入到太阳轨道后卫星将展开为太阳能电池板,一块1平方千米的太阳能电池板在充分吸收太阳能后产生的功率不亚于一座可控核聚变电站的发电功率。下图是中国可控核聚变发电实验装置,目前世界上中国、美国、韩国在可控核聚变发电领域处于前列。但是可控核聚变技术未必是人类进入1级文明所必备的技术,诸如太阳能将成为可控核聚变技术的竞争者。
我们的太阳能电池板将为水星基地提供更多能源,1个太阳能电池板可以为2个太阳能电池板的建造提供动力,2个可以为4个的建造提供动力。这样戴森云的建造过程将以指数的形式加速,如此重复60次便可以完成戴森云的建造全过程。如果一个太阳能电池板需要1个月的建造时间,则在理论上戴森云的建造总时间仅需要10年。
戴森云建设完工后将为太阳系内所有项目提供近乎无限的能量。首先戴森云在充分吸收太阳辐射能后可以达到质能方程式下0.5%的利用效率,而核聚变发电的效率也是这个水平。而且戴森云在理论上可以使用50亿年,直到太阳膨胀为一颗红巨星吞噬我们的戴森云。下面的图片显示了太阳的完整生命周期,由于我们的太阳质量过小,所以太阳将在红巨星生命结束后坍塌为一颗高密度的白矮星,在几百亿年后变成一颗黯淡的黑矮星,直到熄灭冷却下去。