最高效的三种能源,榜首仅需1克作为能源,就可将火箭送上月球?
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发布时间：2023-01-03 10:00
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时间：2023-10-11 04:44
一.核裂变
核裂变是指由较重的原子核（一般指铀核或钚核）*成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹或核能发电厂的能量来源就是核裂变。而其中铀裂变在核电厂最常见，而钚裂变释放的能量一般作为宇宙空间探测器的能源来源，采用钚电池（核动力电池）供能，如旅行者1号。
1克铀-235的全部裂变将释放的能量与燃烧大约2吨煤所释放的能量相同。核裂变的质量亏损大概在0.1%左右（而甲烷分子形成过程中质量亏损仅仅为0.000031%），即裂变后亏损的质量全部转化为能量，根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2就可以算出亏损的质量对应所释放能量的大小。
二.核聚变
如今，我们仍然没有找到能有效的实现可控核聚变的方法（不可控核聚变应用于氢弹，也叫热核武器）。核聚变，又称聚变反应或热核反应。是指由质量较小的原子，主要指氘，在超高温和高压（上亿度高温），在极高的温度和压力下，核外电子会摆脱原子核的束缚，使两个原子核克服库仑力（使两个原子核相互靠近到强相互作用范围），进而碰撞到一起，生成质量更重的原子核，例如氦。核聚变过程中会有巨大的能量释放，核聚变反应的质量亏损大约为0.7%。
科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变即将成为未来的能量来源。海水中含有的核聚变所需的原料非常丰富，海水中每600个氢原子中就有一个氘原子,海水中氘的总量约40万亿吨，每升海水中所含的氘完全聚变所释放的能量相当于300升汽油完全燃料所释放的能量。按目前世界消耗的能量计算,海水中氘的聚变能可用几百亿年，可以说是用之不尽，取之不竭。
三.反物质
要聊反物质，首先知道反粒子概念。狄拉克第一次从理论上预言了反粒子的存在；
1932年卡尔·安德森发现正电子的存在；
1955年张伯莱发现了反质子；1956年又发现了反中子。现在基本可以确定每一种基本的粒子都有与之对应的反粒子。电子对应的反粒子为正电子，它们的质量和带电荷量相同，但电性相反；质子的反粒子是反质子，它们的质量和带电荷量相同，但电性相反……
我们周围的一切物质都是“普通物质”，即正物质，与之对应的即为反物质。正物质由电子（带负电）和带正电的原子核组成；反物质由正电子（带正电）和带负电的原子核组成（反中子与中子磁性相反，其它性质相同）。反物质中的原子核之所以带负电是因为组成原子核的“质子”是反质子（也称负质子），它与质子的电性相反。
反物质是正常物质的反状态。理论上所有的物质都有对应的反物质（科学家已经可以制造反氢子）。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消（即正反物质的质量全部转化为能量），根据质能方程E=mc^2可知，一克反物质与一克正物质发生湮灭所释放的能量大的惊人（大约为1.8 10^14焦耳，相当于21608吨TNT当量，投放在日本广岛的原子弹当量仅为15000吨tnt当量）。
反物质发生湮灭时的质能转换为百分之百，这是人类的终极能源。可是制造反物质的成本非常高昂（据说制造一克反物质的成本大概需要62.5万亿美元），且反物质极难保存，因为它会被周围正物质兼并。现在讨论反物质作为能源就是天方夜谭。
回到正题，1克反物质湮灭所释放的能量是否可以把火箭送上月球呢？ 以世界上运载能力最强的火箭美国土星5号为例。
土星5号自1967年首飞至今仍然保持着最大运载能力火箭的世界纪录，也是同时期美国第二强火箭土星1号B和苏联同时期最强火箭质子-K运载能力的7倍，也是21世纪最强火箭重型猎鹰的2倍运力（来自维基百科）。同时它也是人类 历史 上使用过的自重最大的运载火箭，火箭整体高达110.6米，起飞重量3038500kg，总推力达3408000kg，近地轨道运载能力118000kg，月球轨道运载能力45000kg。
所以，发射土星五号探月工程火箭总共消耗了多少燃料呢？很遗憾我没有查到具体的数据。但是我查到了每一级火箭无燃料质量和满载燃料质量的数据，它们两者之间的差值就是推进剂的质量。再根据不同燃料类型反应的化学方程式和燃烧热值，就可以粗略计算出所有火箭燃料释放的能量（计算过程和方法不一定准确，仅供参考）。
土星五号火箭有*结构。
第一级，无燃料质量为131吨，满载燃料质量为2300吨，做差得到推进剂的质量为2169吨，推进剂为煤油/液氧；
（由煤油燃烧的化学方程式计算得到第一级推进剂中煤油的质量大概为m1=560吨，此数值不一定准确。）
第二级，无燃料质量为36吨，满载燃料质量为480吨，做差得到推进剂的质量为444吨，推进剂为液氢/液氧；
（由氢气燃烧的化学方程式计算得到第二级推进剂中液态氢质量大概为m2=49.33吨，此数值是根据理论上氢与氧化学反应方程式配比2：1计算得到，不一定准确。）
第*，无燃料质量为10吨，满载燃料质量为128.8吨，做差得推进剂质量为118.8吨，推进剂为液氢/液氧；
（同理计算得到第*推进剂中液态氢的质量大概为m3=13.2吨，此数值不一定准确）
注：[煤油没有固定的化学方程式，这里用一般式代替：2CmHn+[(4m+n)/2]O2=2mCO2+nH2O
不同类别的煤油的热值不尽相同，这里取q1=4.6 10^7J/kg（一千克煤油完全燃烧释放46000000焦耳的能量）。
对于液态氢，就取氢气的热值，取q2=1.42 10^8J/kg，氢气与氧气燃烧的化学方程式为：2H2+O2=2H2O]
所以第一级火箭中燃料（煤油）燃烧释放的能量E1=m1 q1=560 10^3 4.6 10^7=2.58 10^13J。
第二、*火箭中燃料（液氢）燃烧释放的能量E23=（m2+m3） q2=（49.33+13.2） 10^3 1.42 10^8=8.8 10^12J。
所有燃烧释放的总能量E=E1+E23=2.58 10^13+8.8 10^12=3.46 10^13J
计算得到的火箭燃料释放的总能量E带入质能方程E=mc^2，其中c为光速（c=299792458m/s）。算得m=E/c^2=3.46 10^13/（3 10^8）^2=0.00038kg。即0.38克。所以，仅仅需要0.19克反物质和0.19克正物质发生湮灭所产生的能量理论上可以把土星五号送上月球。
以上所涉及的所有计算如有不当之处请读者多多谅解并及时指正，可以在评论区给我留言，我们一起探讨吧。
