速递!关于《流浪地球》中重聚变发动机可行性的思考

哔哩哔哩   2023-01-18 00:35:56

在看了萌萌战队在 

里面关于《流浪地球》黑科技的视频,评论区产生了一些关于原著中重聚变发动机是否可行的争辩。 

有人提出说如果真的使用重聚变,把地球烧完都出不了太阳系,然后有人反驳说使用质能方程计算只需要消耗不到万分之一的质量就能让地球达到逃逸速度。不过这个反驳稍微有点逻辑混乱了,“烧”完地球不代表是把地球给烧没消失了,而是指使用的燃料质量可以和地球质量相比了,而不是不考虑反应产物的质量只分析质能转换的质量损失。就像生活中把木头烧没了不会是指不考虑生成的灰烬和氧化产物的质量的完全消失。


(资料图)

其次呢他并没有考虑工质引擎需要把质量丢出去来获得向前的动量。不过他在后面的评论里面指正了。

如果用下面的齐奥尔科夫斯基火箭方程进行计算的话,把地球看作是火箭,是指地球速度的增量,是指发动机的排气速度,是进行加速前的地球质量,是加速后的质量。

对公式进行变形后可以得到 如果我们假设聚变发动机拥有10% 光速的排气速度(工程上可完成的理论上限),地球从环绕轨道到逃逸需要的速度增量是12.4km/s。代入可得 也就是地球会损失大概2500分之一的质量。

但是如果发动机的水平没有那么高,只能达到2%光速的排气速度呢?那大概会损失掉千分之2的质量,也就是整个地壳的总质量。

(上述计算没有考虑相对论效应,因为在低速下可以忽略不计)

以上都是基于使用重聚变发动机推进被当作工质丢出去的质量做出的推算,那么问题又回到最初的评论了,要让地球进入逃逸轨道需要消耗多少石头作为燃料呢?

地球的总质量大概是5.972E24 kg,将地球从29.8km/s的环绕速度推进到42.2km/s的逃逸速度需要2.67E33焦耳的能量。这时候我们祭出平均核结合能表,也就是原子核内平均两个质子或中子间聚合释放的或分离消耗的能量。将其乘上原子核内重子的数量即可得到从氢原子一路聚变得到该原子释放的能量。

从图中可以看到硅的结合能是8.5MeV,而铁的结合能是8.8MeV。原著中有提到重聚变发动机是烧硅的,将需要的总能量除以硅于铁的结合能的差值即可得出需要的重子数量。也就是个重子。 单个重子的质量可以参考氢原子的质量,所以最后需要消耗的氧硅铝物质来进行聚变,也就是地球质量的六万五千分之一

上面的数据是按照发动机效率百分之百来计算的,如果效率只有2%的话,那么消耗的质量大概是地球质量的一千二百分之一,仍然低于2%光速排气速度下喷射出的物质质量。

综上所述,如果人类能够解决各种工程学难题,真的制造出烧石头的重聚变发动机,是有可能达到逃逸速度飞出太阳系的,但是代价是把整个地壳甚至部分地幔一起作为工质抛出去。

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