书城自然科学求知文库-人类生存之能源
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第19章 二十一世纪能源(1)

§§§第1节“反物质”能源

1908年6月30日清晨,俄罗斯西伯利亚通古斯地区发生了一场前所未有的大爆炸,它的威力相当于2000颗巨型原子弹同时爆炸,一时间爆炸的巨响震着万里长空,声音传到1000千米之外,炽热的火球在空中翻滚,熊熊烈焰把2000平方千米范围内的树木全部烧毁,巨大的气浪冲击着四面八方,100平方千米以内的房屋屋顶全都被掀掉。这场威力无比的大爆炸是怎样发生的?几十年来一直是个难解的谜。

1965年,美国科学家李比博士发表文章,认为通古斯大爆炸的起因是由“反物质”引起的。反物质经茫茫的宇宙,进入由正物质组成的世界,在正物质的引力作用下,落到西伯利亚的上空,跟正物质相撞,一瞬间,正反物质全部转化为巨大的能量,周围大气的温度急剧上升,产生剧烈膨胀而发生大爆炸。正反物质的这种反应叫做“湮没”反应,在反应过程中全部物质都转化为能量。湮没反应产生的能量非常巨大,至少比核反应产生的能量大100倍,而且不产生放射性。

什么是反物质?它为什么会有这么巨大的威力?这就得从科学家爱因斯坦的一个著名的公式说起。爱因斯坦认为运动的物体都有能量,当它的总和是一个正值时,这种物质就是我们在生活中看到的各种物质。但是,当运动的物体所具的能量的总和是一个负值时,情况就完全两样了,物质的性质跟我们日常见的正好截然相反,那种物质就称为反物质。

反物质的内部组成跟正物质正好相反。正物质的原子是由带正电荷的质子和带负电荷的电子组成的,而反物质的原子却是由带负电荷的质子和带正电荷的电子组成的。所以,反物质受力后,它的运动方向跟正物质的运动方向完全相反。当你向前推它,它却往后靠;当你往南推它,它却向北移动。

正反物质在短距离内是“水火不相容”的,它们很难同时存在,一旦相遇,就相互吸引,通过碰撞而同归于尽,同时放出大量的能量。在我们所处的半个宇宙中,只有正物质存在,而离我们非常遥远的另外半个宇宙中,却是反物质的世界。

这是神话故事,还是科学?这是科学!因为经过科学家几十年的努力,现在已经找到各种反粒子和反物质。1932年,科学家在宇宙射线实验中,发现了正电子。正电子是电子的反粒子。1955年,科学家获得了反质子和反中子。反质子是质子的反粒子;反中子是中子的反粒子。1965年,科学家得到了世界上第一个反物质,由反质子和反中子组成的“反氘”,后来,又得到了反物质“反氢”。

既然反物质确实存在,那么,利用反物质的特性,利用物质和反物质在湮没过程中释放的巨大能量,把反物质作为未来能源,前景是太美妙了。把反物质跟化学燃料相比较,需要使用的量相差得实在太大了。比如,把航天飞机、巨型火箭送上太空,使用液体化学燃料大概是200吨,如果换用反物质,只需10毫克(相当于小小的一粒盐)就足够了。

但是,现在要充分利用反物质还有许多困难。要得到反物质,除了研制技术上的难度非常大外,生产费用也大得惊人。初步估计,生产1克反物质,至少要花费10亿美元。

另外,反物质的贮存、运输也是一大难题,它只要一接触普通的物质,就会立即爆炸。

目前,研究反物质还只是在探索阶段,要把反物质作为未来的能源,只能说是一个美好的理想。

在21世纪,经过科学家的不懈努力,反物质之谜将会被彻底揭开,它为人类服务的时代也将会来到。

§§§第2节地球发电机

我们的地球是一个庞大的天然磁体,它的磁场却比较弱,总磁场强度不过0.6奥斯特。地球磁场的强度由奥斯特换算为伽玛,则是6×104伽玛,即6万伽玛。然而,地球却在不停地转动,它每23小时56分便自转1周,所具有的动能是一个很大的数值,为2.58×1029焦耳。

具有磁场的天体旋转时,由于单极感应作用,就会产生电动势。如果我们把整个地球作为发电机的转子,以南北两极为正极,以赤道为负极,理论上可以获得10万伏左右的电压。这便是人们把地球本身当作一个巨大的发电机的一种设想。不过,如何把地球自转发出来的电引出来使用,还须有另外的方案或设想。

电磁感应定律告诉我们,导体在磁场中作切割磁力线的运动便会产生感应电流。由于地球本身具有磁性,所以,在地球及其周围空间存在着地磁场。

地球上的河流和海洋也是导电体。随着地球的自转,它们自然而然地就相对于地磁场产生了切割磁力线的运动。那么,河流和海洋中就有地磁场的感生电流了。要知道,光海洋就覆盖着地球表面的71%呢!如果想办法把河流和海洋中的感生电流引出来,不就有巨大的电能供我们使用了吗?显然,这是利用地球发电机的另一种方案。

还有,地球本身又是一个巨大的蓄电池。它经常被雷雨中炫目的闪光充电。雷雨云聚集和储存的大量负电荷,使云层下面的大地表面感应出正电荷。

两种不同极性的电荷互相吸引,就驱使电子从云层奔向大地,形成闪电给地球充电。据估算,每秒钟约有100次闪电袭击地球,其闪光带长度从300米到2750米不等。一次闪电电压可达1亿伏,电流可达16万安培,可以产生37.5亿千瓦的电能,比目前美国所有电厂的最大容量之和还多。但闪电持续时间很短,只有若干分之一秒。闪电中大约75%的能量作为热耗散掉了,它使闪电通道内的空气温度达到15,000℃。空气受热迅速膨胀,就像爆炸时的气体一样,产生震耳欲聋的雷声,在30千米以外都能听到。

1752年,伟大的富兰克林曾带着他的儿子在雷雨中用风筝捕捉闪电。他的不怕牺牲、勇于探索的精神实在可嘉,但是他的实验结果,除了导致避雷针的发明外,在利用闪电方面却影响不大,至今还没有人找到利用闪电能的有效途径。在地球表面产生的具有强大能量的闪电,能不能直接用来为人类造福呢?已转化为热能的75%的闪电能是否也可利用呢?有没有办法使闪电不把那么多的能量转化为热能,仍保持电能的状态为我们所用呢?能不能撇开上述思路另辟蹊径,譬如,既然闪电已把电能传给了地球,我们能不能从利用蓄电池的角度,把地球当作一个巨大的蓄电池,想办法把电能引出来使用呢?这些答案恐怕要由未来的科学家们给出了。

此外,极光又是“地球发电机”以另一种形式发出的“希望之光”,也是一种威力巨大的“天然发电站”。

在地球的南、北两极,高阔的天幕上,竞相辉映着五彩缤纷的光弧。有的像探照灯的光芒在空中晃动,有的像彩带在空中飞舞,有的像帷幕随风飘拂,有的像成串的珍珠闪闪发光。光弧的颜色或红或绿,或蓝或紫,时明时暗,构成一幅瑰丽的景观。这就是极光。它是地球两极特有的自然现象,多出现在3月、4月、9月和10月四个月份。那么,极光是怎样发生的呢?

它对人类又有什么用处呢?

我们已经知道,太阳的内部和表面进行着剧烈的热核反应,不断地产生出强大的带电微粒流——电子流。这种电子流顺着地磁场的磁力线,来到地磁极附近,以光的速度向四面八方散射。其中一部分电子流射入大气层时,使大气中的气体分子和原子发生电离,产生出大量的带电离子,发出光和电来。极光爆发时,会产生强烈的磁暴和电离层扰动,使无线电通讯和电视广播等受到干扰破坏,使飞机、轮船上的磁罗盘失灵。尽管如此,作为一种未来很有希望的新能源,它将给人类带来巨大的好处。有人推算过,极光发射出的电量高达1亿千瓦,相当于目前美国全年耗电量的100倍以上。有的科学家设想,将来在北极或南极地区,建造一座高达100千米的巨型塔架,用适当的方法把高空中极光的电能接收下来,供人们使用。这种办法能成功吗?

未来的科学家们,你是否打算研究出其他更好的方案和办法呢?

§§§第3节更先进的发电技术

你是否知道,现在的火力发电要白白损失70%的能量,也就是说,燃烧100千克煤,最多只有30千克煤真正被利用,其余70千克浪费掉了!很多年以来,各国科学家一直在寻找能够提高发电效率的方法,经过长期努力,终于找到了磁流体发电的方法。

磁流体发电,通俗地讲,就是使气体在磁场作用下发电。我们知道,金属是导电的,那是因为金属导体内有自由移动的电子,所以,发电机通过用金属做成的线圈,在磁场内转动,就会发出电来。可是,气体是绝缘体,气体的流动是气体分子在运动,分子内的电子受原子核的“约束”,不能自由移动,所以,怎么能利用气体发电呢?