深度解读物理与能源generatedpublished

哪怕能源彻底清洁零排放,为什么用电一直涨还是会煮沸地球?

机制

就算明天人类搞定了可控核聚变,用上无限而且零排放的清洁能源,只要用电量一直涨,我们依然会把地球活活煮沸。

这不是温室气体的问题。 哪怕连一克二氧化碳都不排放,物理定律也定死了这个结局。

我们平时讨论能源转型,眼睛总是在死盯着源头。 煤电太脏,天然气有碳排放,光伏和风电靠天吃饭。 可控核聚变被当成了人类文明的终极圣杯,好像只要它搞成了,能源问题就一劳永逸了。 但很多人都忽略了一个最朴素的问题: 电发出来,被我们用掉了,它最后去哪了?

开灯照明,光线照亮房间,打在墙上变成微弱的热量。 开空调吹冷风,房间里凉快了,室外机在疯狂往大街上排热。 开电动车,电池里的电驱动电机,克服摩擦力和风阻,最后全化作了轮胎、刹车片和空气里的热量。 甚至你在手机上看一条视频,千里之外的数据中心里,显卡把吃进去的每一度电,都完完整整地变成废热吹进了机房。

热力学第一和第二定律,把这件事定得死死的: 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失。 人类利用电能去做的所有功,最终都会百分之百降解成最基础的热能。 在这个星球上,我们消耗的每一个瓦特,最后都是环境里多出来的一份废热。

有人可能会想:全球几十亿人散发的那点热量,在偌大的地球面前算得了什么? 加州大学圣地亚哥分校的天体物理学家 Tom Murphy 算过一笔极狠的账。 从工业革命以来的历史数据看,人类文明的总能源消耗量,平均每年以大约 2.3% 的速度在增长。 每年 2.3%,听起来慢吞吞的,一点也不吓人。 但只要把复利算进去,每过 100 年,能耗就会翻上整整 10 倍。

现在人类文明每秒消耗的总能量,大约是 19 太瓦。 1 太瓦是 1 万亿瓦特。 而地球从太阳那里接收并吸收的能量,大约是 12 万太瓦。 也就是说,今天人类全部活动产生的废热,还不到太阳照射地球能量的万分之二。 在大自然面前,现在的我们确实就像一根微不足道的火柴。

可如果核聚变真的成功了呢? 能源几乎免费,而且无限供应。 各大科技公司疯狂堆建超级算力,工厂日夜开工,海水淡化昼夜不停。 人类的能源消耗继续按照每年 2.3% 的历史节奏增长下去。 会发生什么?

100 年后,人类能耗翻 10 倍,达到太阳辐射的千分之二。 200 年后,翻 100 倍,占到太阳辐射的 1.5%。 千万别小看这 1.5%。 光是人类自己散发出来的废热,就会让全球平均气温直接上升差不多 1 摄氏度。 请注意,这里没有二氧化碳,没有温室效应。 这是我们自己用电产生的纯废热,在硬生生给地球加热。

有人会问:地球难道是个死箱子吗?它不会自己往外散热吗? 会散,但地球散热的方式只有一个。 外太空是绝对真空,既没有空气可以对流,也没有介质可以导热。 地球想把热量排到宇宙里,唯一的途径就是向外发射红外热辐射。 物理学里有一个著名的斯特藩-玻尔兹曼定律。 一个物体向外辐射热量的能力,严格正比于它绝对温度的四次方。 这意味着什么? 地球要想把多出来的废热排进太空,唯一的办法,就是把自己的地表温度往上提。 温度越高,往外排热的速度才越快。

如果我们继续按每年 2.3% 消耗核聚变能源呢? 300 年后,人类产生的热量占到太阳入射能量的 15%。 400 年后,人类每秒散发出来的废热,就会追平甚至超过整个太阳照在地球上的总能量。 到了那个时候,地球为了把这些狂暴的能量辐射出去,地表平均温度必须被逼到 100 摄氏度。 水开始沸腾,海洋被煮干。 人类用百分之百清洁的能源,把自己活活烤熟在自己的摇篮里。

如果这个指数增长继续算下去,结果会更加荒谬。 1000 年后,人类消耗的能源就会超过太阳本身的全部发光功率。 1400 年后,超过整个银河系所有恒星的能量总和。 2500 年后,超过全宇宙。

这笔账直接把一个颠覆常识的物理现实摆在了眼前: 太阳能和核聚变,在地球的热力学账本上完全是两码事。 天上的太阳光,不管你用不用,它每天都在照常打在地球上,本来就要变成热量散掉。 铺光伏板或者建风车,只是把原本就要落地的能量中途拦截借用了一下。 它并没有给地球的总体热量账本增加哪怕一瓦特的新热量。 可核聚变完全不同。 它是把锁在原子核里的能量给硬生生释放了出来。 在地球上大规模烧核聚变,相当于在本来已经平衡的房间里,凭空插上了无数台超大功率的电暖炉。

搞懂了这个物理机制,我们才会明白很多科学家对未来的真正担忧。 清洁能源能解决空气污染,能解决二氧化碳的化学危机,但它救不了热力学第二定律。 只要人类还呆在地球表面,能源消耗就存在一个不可逾越的物理硬顶。 想要无休止地增加算力,想要拥有取之不尽的工业产出,人类最终只有一个选择: 关掉地表的聚变堆,走出大气层。 把超大规模的算力中心和重工业,搬到冰冷无垠的太空里去。 因为只有深空的虚空,才能吞得下文明无休止膨胀的废热。

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