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理想无止境的奥运精神也是人类对能量极限的崇拜:Citius(更快),Altius(更高),Fortius(更强)!
然而,撇开体育,单纯从科学的角度来看:能量泄放速率是否存在极限呢?达到极限后出现什么奇葩现象呢?这就大有文章可做!
再直白一点,能量泄放速度就是功率嘛,国际标准单位就是瓦特Watt,等价于每秒焦耳J/s。
既然时间参数做功率的分母,能量泄放极限速度的追求,当然只能以脉冲方式实现。
早泄、快泄的楷模,非激光莫属。当今大科技的帕瓦(Petawatt,1015W)脉冲激光,早把前几代的太瓦(Terawatt)、吉瓦(Gigawatt)和兆瓦(Megawatt)甩在后面。
激光的极高脉冲功率,靠的是将大量基态原子或分子,用光泵不停激发到高能态,直至出现尽可能多的粒子数反转,再一霎那触发高能粒子同时退激,与此同时自动集中释放全部光子,强大功率的激动时刻就这样产生了。
深奥的激光原理,一个比喻就能说明白:就像一大批高台跳水运动员齐刷刷站在跳台边,只等发令枪一响,就同时“倒栽葱”般跳下。
除了激光之外,还有很多方式可以实现壮观的尖峰时刻。
最简方案仅需将一只耐高压电容器,充电到上万伏特之后,在一截短电线上放电,或气体电弧放电,就能产生与脉冲激光相当的极高功率峰值。这样的小装置,一般人也能玩。
核物理玩的Z-pinch也就这么回事,只不过是超大号尺寸。下图为中国聚龙一号高能脉冲放电进行时。钨丝线在放电瞬间肢解为高度电离的等离子体plasma,并放出大量高能X射线。图中放电盘直径33米,仅高压电容器1440台就占据另外好几个大房间,文艺范的记者们把这一壮观景象描写为“电蛇狂舞”!
这玩意玩的确实心跳,泻起来那是一瞬间的酣畅淋漓,而前戏确是费时费力的,殊不知仅把这上千只大电容充满电也得蛮长时间。
2015年天津港的那次震惊中外的大爆炸,也可看成化学上的巨脉冲能量释放。
既然速度有光速c做极限,那么功率理论上也应存在极限
当一切都无不用其极时,自然会想到量子理论Heisenberg的测不准原理,即动量与位置不可同时精确测得,或等价于能量与时间不可都准确测量。
即:δE*δt ≥ ℏ。δE、δt、ℏ分别为能差、时差、约化Plank常量1.0546*10-34Js。
追求尽可能高的功率时,恨不得能差δE泄放不耗时间δt = 0,这样就得到无穷大的脉冲功率。可惜脉宽为0那叫纯数学,不是物理。上述不等式,物理限定了时差的最低消费:δt ≥ ℏ/δE。
因而,极限功率:W = δE/δt ≤ δE2/ ℏ。姑且称之为魏氏功率极限-Weir's power limit。
这个结果的得出,与具体的能量释放装置和方式无关,激光也罢、储能元件如电容放电也罢、化学反应也罢,就算是核反应,都普适上式的极限公式。
有了上述公式,先看看一颗渺小的氢原子的尖峰功率有多大。
将基轨氢原子激发到2轨后退激,算得跃迁时间不足0.5fs,得到能量落差13.6 –(13.6/4)= 10.2eV。
则一颗氢原子的尖峰功率=(10.2*1.60218*10-19)2/1.0546*10-34= 0.045瓦。
具体设备的尖峰功率,还取决于多少能量载体参与能量的跃迁。
假设1摩尔的氢原子(1克重)参与能量释放的话,将原子总数即Avogadro常数6.022*1023乘以单原子尖峰功率,那么不管这1克氢原子以什么方式搞搞震,其功率“恨天高”的上限算出来为2.71*1022瓦= 2.71*107帕瓦。
恕我无法将这么大个数,以合适中文单位表达,但可用英文单位表达成27.1Zettawatt。中国人表达数量级的翻番往往很被动,西方早已在字典里为10的-24次方到+24次方准备好了单词,国人只好跟风造字了,帕瓦落地才不久,18、21、24次幂的中文字尚未造好。
原子核的能级落差比化学反应还要高出百万倍,套用极值公式得出的结果更强悍。原子弹基于链式反应,而1链套1链也是要耗时的,故而实际尖峰功率相对理论值要低得老远。
挑战能量早泄快泄极限的后果是什么?
后果很严重!很有可能“过把瘾就死”—物理或化学反应有可能触发核反应、反物质、核同位素生成,甚至逼出真空能等。略举几例:
1、Z-pinch(Z箍缩)
储能电容在氘气中放电,能检测出中子和氦3。显然物理放电用力过猛,挑战了极限,导致下列核反应发生:
H2 + H2 = n + He3 + 3.268 MeV
随装置尺度不同,中子产率差异巨大。一般小到50焦耳的储能电容,每次脉冲能触发大约1万个中子。为安全起见,业余玩家一定要注意防辐射。
中子弄出来后,100%最终都能被原子捕捉,生成放射性同位素。中子捕捉和同位素衰变又能释放更多能量,平均1颗中子,大约能带来7MeV至15MeV左右的后发能量。
这后果显然是成倍回报投入的产出,同时各种新元素也创生了。
下图为z-pinch中子生产实验原理图。
雷电是天然超强脉冲系统,上世纪中叶科学家才弄明白原来是个大通量中子源,据此推断之前获得诺奖的C-14测年法不一定靠谱。
早在1922年,Chicago大学的化学家Gerald Wendt和Clarence Irion就发现:将钨丝通过高压电容快速放电能产生氦气,论文出版后遭到核学术权威Ernest Rutherford近2年的质疑打压,以及被嘲讽为民科,并因此失去教职。80多年过去后,新的Z-pinch实验结果终于证实他们的数据没有造假,看来真理在权威面前也只能是受气的小媳妇!
2、水弧爆炸
Peter Graneau将高压电容在水中放电的实验可被很多人再现。可以看到,水雾以远超声速的高速(> 1000m/s)喷射而出,以致洞穿金属板。仔细的能量核算发现,水雾获得动能,甚至大于放电前电容储存的能量。显然脉冲释能搅动了额外神秘能量的释放!权威媒体发表其论文后这么多年来,至今科学社区尚无一个普遍认可的说法。
这可不是普通的电解水制氢,那顶多只需几十伏的电压连续运行,而这是上万伏的储能在水中脉冲急泄。
3、激光诱发反物质
用帕瓦激光脉冲照射物质,竟然可弄出大量反物质—正电子!
下图为美国Lawrence Livermore实验室科学家陈慧女士在捣鼓帕瓦激光装置。
4、Andrea Rossi的镍冷核聚变电炉
意大利科学家Rossi教授自称搞出了镍氢冷核聚变的反应堆,据说1度电的投入,平均可取得6度电的热效率。脉冲固然可带来神秘能量,略有增益,但6倍的放大,我表示严重怀疑!
他神神秘秘的所谓样机,我大胆猜测就是镍电阻丝或金属泡沫的脉冲电炉而已。网上该同志口碑不咋地,最近该技术转让在美国惹上官司了,他起诉受让公司拖欠近9千万美元转让费,受让公司辩解能量放大系数虽然大于1,但并未达到预期值。详情参见本文末尾的参考链接。
5、高次谐波电磁污染
说了一堆好处,别忘提醒下负面影响。
根据Fourier频谱分析可知,脉冲释能会产生大量高强度不同频率的高次谐波污染,致使周边大范围内的电子设备无法正常工作,如电视无法正常收看。
因而若将脉冲技术广泛应用,屏蔽电磁干扰的措施必须到位。
若是特意用于电磁干扰设备,则可以克敌制胜,缺点又变回优点了。
更多例子就不多举了。总之,能量的急释意义非凡!这“抛砖引玉”或“买一送多”的奇迹,不正是能源科技求之不得的吗?(当然啦,男人早泄也能创造出新生命,但这与挑战能量早泄极限无关,大家别想歪了。)
瓶颈在哪里?
要达到理论功率极限并非易事。难就难在如何尽快缩短能量运筹的时间,也就是高速开关的性能。
时间啊时间,就是一把杀猪刀。出手不够快,拖久了,再肥的猪也消瘦了,早泄也变成了缓释!
目前最快的天价晶体管开关时间,也至少要10纳秒ns以上才能动作,把这个数量级作功率的分母,得出的功率离理论极限差得实在羞愧。
真空管Krytron的火花间隙开关性能就好得多,可比2ns还小。美国高精尖技术实现皮秒ps级开关更是了不得。
业余爱好者玩电容电弧放电要想搞出中子来,人工开关或晶体管开关是不行的,中低档性能的真空管间隙开关勉强能实现。气动冲击机械开关也凑合,就是抖动太厉害。
注意了:倒腾高速开关,不小心有可能要坐牢的。美国颁布的法律,严禁Krytron、Sprytron、Thyratron等类真空管高速开关出口。这是其核不扩散思想的必然体现。Richard Smyth走私此类开关到以色列被法律制裁的案例就是教训,以色列政府最后被逼乖乖退还。
不知将来科技进步后能否搞出飞秒fs级的开关,到那时,快得惊动上帝的能量泄放速率,还真不知道会创造出啥新鲜神话来呢。
开关速度决定的只是脉冲的上升沿,下降沿则要靠其它泄能技术实现,这就相对容易了。正如泄洪时加大决堤口那样,电能的泄放靠加粗连接导线、降低电阻和分布电感等措施即可。
平平淡淡才是真!
一鸣惊人的脉冲当然令人神往。然而毕竟现实物理世界,平平淡淡才是真!靠硬拼可拼得了一时的爽快,但绝对拼不了一世。
能源为人类服务往往只求平均统计效果。例如用电阻炉烧一壶开水,需要的总焦耳量是固定的,理论上与焦耳值是均匀释放还是脉冲释放无关。同样时间内把水烧开,脉冲释能的占空比可以做得很小,而均匀释能的占空比为无穷大。
虽然现有技术在释能方式选择上,经时间统计平均后,看不出连续释能和脉冲释能有啥不同功效,反而脉冲方式的成本更高。但未来技术突破谁知道呢?至少通过脉冲方式使用能源多了一份奢望:没准1焦耳能量投入,勾引出2焦耳的核能或者神秘能量呢?这叫Overunity。
记得某伟人说过:一个人做一件好事并不难,难的是一辈子做好事。表达的内涵也是这个物理意义,前者是激情的脉冲释放,后者是把脉冲水准做成连续态,那当然吃不消。
参考文献:
1、Demonstration of neutron production in a table-top pinch plasma focus device operating atonly tens of joules
2、Arc-liberated chemical energy exceeds electrical input energy
3、中国造出高功率脉冲,触发后大地震动电蛇狂舞 http://tieba.baidu.com/p/3355652938
4、Mass-Producing Positrons https://str.llnl.gov/JulAug09/pdfs/07.09.3.pdf
5、Exporting Nuclear Triggers,The Strange Case of Richard Smyth
http://www.merip.org/mer/mer146/exporting-nuclear-triggers
6、Andrea Rossi sues Industrial Heat for $89M
https://animpossibleinvention.com/2016/04/07/andrea-rossi-sues-industrial-heat-for-89m/
7、Z箍缩 http://baike.baidu.com/item/Z%E7%AE%8D%E7%BC%A9
8、聚龙一号:http://baike.baidu.com/view/15174295.htm
9、妄议核中央—电子轨道跃迁的扭矩和过渡时间的估算
http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-959666.html
10、EXPERIMENTAL ATTEMPTS TO DECOMPOSE TUNGSTEN AT HIGH TEMPERATURES
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01430a006?journalCode=jacsat
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