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李偉才

筆名李逆熵,香港著名科普作家。曾任職中學教師、太空館助理館長、天文台高級科學主任、港大國際學位課程中心總監。一九八五年因致力普及科學獲選為十大傑出青年。現為香港科幻會會長、香港科學館顧問委員會委員,及網台節目「浩浩熵熵」主持人。至今發表著作逾三十本。 網誌

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電從天上來

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核能發電(nuclear power)不會釋放二氧化碳,因此從對抗全球暖化的角度看可被看作為一種清潔能源。但由於核電所用的燃料和產生的廢料皆帶有高度危險的輻射,所以不少環保人士都不承認它是「清潔能源」,並高舉「反核」的旗號極力抵制它的發展。與我們較近的例子是台灣民眾激烈反對「核四」的興建。

大家可能知道,能夠作為能源的核子反應其實有兩種:核裂變(nuclear fission,又稱核分裂)和核聚變(nuclear fusion,又稱核融合)。前者是原子彈(atomic bomb)背後的原理,而後者則是氫彈(hydrogen bomb)背後的原理。大家亦可能知道,氫彈的威力較原子彈的大得多(達一千倍以上)。由於要引發核聚變的溫度較核裂變的高很多,所以前者又被稱為「熱核反應」(thermonuclear reaction),而氫彈則被稱為「熱核武器」(thermonuclear weapon)。

人類發明氫彈已超過六十年,但迄今為止,所有核能發電廠都只是以核裂變而非核聚變來發電。原因是以毀滅性的形式釋放核聚變的能量相對容易,但以穩定而受控的形式把這種能量釋放,在技術上卻是極其極其困難。過去大半個世紀,世界上多個先進國家都投入了巨額的人力、物力、財力以實現「受控核聚變」(controlled fusion),卻到今天仍未成功。按照最樂觀的估計,核聚變要成為人類社會一個主要的能源,最快也是本世紀下半葉的事。在全球暖化和石油耗盡這兩大挑戰面前,這完全是「遠水救不了近火」。

但大家可能有所不知的是,一個極其穩定的熱核反應爐每天都在陪伴著我們,並且為我們帶來光明和溫暖。聰明的你當然猜到,它便是我們的太陽。這個直徑達地球一百零九倍、體積超過一百萬個地球、表面溫度達攝氏六千度,卻也處於安全的一億五千萬公里以外的反應爐,已經穩定地燃燒了五十億年。而按照科學家的計算,它還可再燃燒多五十億年的時間。

太陽每秒釋放的能源,足以瞬間將地球化為灰燼。幸好地球所截獲的,只是這一能量的二十億分之一。但科學家的計算顯示,就是這樣,地球個多小時內從太陽那兒接收的能量,便已足夠人類全年所用。問題是如何有效地捕捉這些能量。

眾所周知,太陽能開發的一大問題是它的間歇性(intermittency),亦即烈日當空陽光充沛時固然電力十足,但在晚上、密雲甚至陰雨的時候則無電可用。但早於一九六八年,美國一名科學家彼得‧格拉斯(Peter Glaser)便已提出在太空中建做巨型的太陽能收集衛星(solar power satellites, 簡稱 SPS),以克服日夜交替、大氣層吸收和天氣變化等影響。但這還不是構思中最精彩的部分。最精彩的一點,是格拉斯透過物理學的分析,指出衛星所收集得的太陽能,可以透過微波(microwave)傳送返地面的大膽構思。他更指出,地面的接收天線陣列(antennae array)固然需要龐大的面積,但高高的天線架之下,仍然可以用來耕作甚至放牧,而不會受到不良的影響。

問題是,以人類現時的太空運載能力而言,這個構思在半個世紀後的今天仍只屬空中樓閣。美國太空穿梭機計劃的結束更加令計劃的實現遙遙無期。

但這是否這個構思的完結呢?筆者可不這樣認為。按照我的分析,我們只要把格拉斯的構想略為改動一下便可。建造太陽能收集站的最佳地方,既不在地面也不在太空,而是在大氣的高層(例如在二十公里高的平流層(stratosphere))。為什麼呢?這是因為這樣我們便無需花費巨大的資源以火箭把器材送上太空,卻也可以獲得近乎身處太空的好處:日照的時間特長、陽光猛烈和不受天氣影響(因為天氣變化主要局限於平流層以下的對流層(troposphere)之中),以及塵埃很少,不會影響光電板的運作等。

我們要建造的,是一個個收集太陽能的「天空之城」。而要令它們停留空中,我們不需要宮崎駿的「飛行石」,而只需要物理學的應用。我們至少可以(1)利用氫氣或氦氣作承托、(2)把浮筒抽真空以製造浮力、(3)把空氣加熱製造浮力、以及(4)以螺旋漿轉動作承托等多個方法(或是它們的組合)。而收集得的能量,則可以按原來的建議透過微波傳返地面。至於地面的微波收集站,則可以是無需「與民爭地」的龐大「海上浮城」。除了接收微波外,這些離岸不遠的海上平台更可結合風力發電、海浪發電、海水化淡以及製造「氫燃料」(將海水進行電解獲得)等多項用途。

今天我們極力強調年輕人要有創意。我在此向大家強烈呼籲,不要再將你的創意浪費於設計鼓吹更多消費的廣告、令人沉迷的電子遊戲、或鼓吹貪婪害人不淺的衍生金融工具之上,而是把它用於真正解決人類當前最大的危機之上。大家有興趣接受這個挑戰嗎?

原文刊於此

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