科技天花板

科技天花板是我一直以來不願提及甚至不願想起的一個話題，因為這個話題實在太過讓人絕望。不過在這裡，我還是決定把我所知道的事實分享給大家，其中有些領域還有一線「希望」歡迎專業人士補充把希望也堵死。

科技天花板假說認為，科技發展到極致，將永遠無法提高。

說科技，躲不開能源。

水力風力潮汐力就不用說了，總共就那麼多，水力風力本質上不過是太陽能的此生能源。關鍵還是在於太陽能和原子能（潮汐力來自地球自轉的能量）。太陽能技術日趨完善，不過太陽能畢竟比較分散，以目前人類的耗能量級，完全太陽能化是可能的，如果增加幾個數量級，則無法滿足。另外，當人類掌握了地球的所有表面以後，太陽能和農作物將形成競爭關係。至於太空太陽能板，因為收運輸條件的限制，經濟化的可能性不大——但也存在可能。

核能，難度由低到高可以分幾個級別：慢堆裂變，快堆或其他高效裂變，氘氚聚變，氘氘聚變，氘氦3聚變，氕核聚變，鐵化聚變，質能轉化。

核裂變早已實現，。慢堆裂變，燃燒U235和少量的U238（地殼鈾丰度2.7 ppm，其中U235隻占天然鈾0.7%）。快堆或其他高效裂變，可以燃燒大部分的U238甚至釷。氘氚聚變，消耗氘（海水中含量十萬分之三，即30ppm），鋰6（吸收中子用於產生氚，地殼鋰丰度20 ppm，其中鋰6佔7.5%）和鈹（用於中子增值，地殼丰度2.8 ppm）。氘氘聚變，無需消耗鋰和鈹。氕核聚變，真正太陽中心的核聚變，以宇宙中最多的同位素氫作為燃料。鐵化聚變，大質量恆星中的核聚變。將輕的核素如碳，氧，硅聚變成鐵。鐵和是核子能量最低的結合。將元素鐵化，就是徹底榨乾原子核的能力。質能轉化已經不是原子能的範圍，不過暫且放在此處。

核裂變早已實現，快堆因為廢料問題沒有推廣。可以看到，裂變的原料還是比較充足的。由於鈾是重元素，越往地球深層含量越高，鈾在酸性火成岩中的丰度值為3.5～4.8 ppm，基本反映了鈾在上地幔中的丰度，而鋰6和鈹的丰度則越往地下越低。單從原料豐富的的角度看，氘氚聚變相對於快堆並不具有優勢。（這裡提一句，目前氘氚聚變已經可以在熱核聚變反應堆中實現，但是產出仍然小於投入，也就是說反應堆發的電比維持反應堆需要的點少）

氘氘聚變，1升海水中含有0.03克氘（30ppm）。這0.03克氘聚變時釋放出採的-能量等於300升汽油燃燒的能量，因此，人們用1升海水＝300升汽油這樣的等式來形容海洋中核聚變燃料儲藏的豐富。而且，氘的提取方法簡便，成本較低，核聚變堆的運行也是十分安全的。因此，以海水中的氘、氚的核聚變能解決人類未來的能源需要將展示出最好的前景

——事實上以上這些，目前還是人們的幻想。氘氘聚變以及氘氦3聚變需要的溫度遠遠高於氘氚聚變。但從理論角度，不能證明其不可行。唯一遺憾的事，無論是氘還是氦3在地球和宇宙中的丰度都是極低的，事實上，越是易於聚變的材料，在宇宙中往往越是稀有（因為更容易被恆星燒掉）。考慮到海水只存在於地殼表面的「薄薄一層」，實際上在地球上氘也是比鈾更稀有的。至於氦3，丰度比氘更低，聚變難度比氘更高。

氕核聚變，四個氕核聚變成一個氦核，也就是太陽核心發生的核反應。遺憾的是在地球壓強下，氕聚變產生的能量不足以引發氕聚變。也就是說，在地球上要把氕加熱和壓縮到可以聚變的程度，需要的能量比聚變本身產生的能量還高，而且是高很多，即使能量後續大部分被回收，仍然難以維持產出大於投入。同理，鐵化聚變也不可能實現產出大於投入。

理論上一千塊物質完全能力化為89,876,000,000 MJ。正反物質湮滅就是這樣的。而反物質的製造則是反過來的過程。即89,876,000,000 MJ的能量轉化出0,5kg的物質和反物質。當然這是理論轉化。實際上轉化率不足萬億分之一。要將反物質作為能源是不可能的，等於說用電電離水，然後用氫燃燒發電。區別是電離水的能量轉換率高達90%。

關於黑洞引擎

氕核聚變投入小於產出的情況，是以使用電磁相互作用力作為加壓力為前提的（這裡的電磁相互作用力是廣義的電磁相互作用力，包括磁約束和固體直接接觸等等）。所以太陽能夠實現氕核聚變，正是因為太陽利用萬有引力壓縮氫。那麼，人類是否可以實現這一點呢？以地球的引力強度，顯然是無法實現這一點的。

但是有一個方案至少在理論上，可以實現大引力——那就是黑洞引擎。

在所有的科幻能源中，黑洞引擎是唯一勉強符合已知物理法則的未來能源。迷你黑洞不斷發出霍金輻射，只要不斷向迷你黑洞補充質量，就可以維持其質量不變。考慮到迷你黑洞周圍巨大的光壓力，迷你黑洞同樣可以作為氕核聚變乃至更重的核聚變的引力約束環境。

該系統目前的問題有兩個，一是霍金輻射尚未被證實，二是製造黑洞需要的能量太過巨大。由於黑洞越小霍金輻射越強，太小的黑洞還沒來得及吸入物質，就已經「蒸發」消失。所以必須一次性製造出一個足夠大質量的黑洞。

說完能源說材料。

最基本的，結構材料。結構材料的強度來自於原子間共用電子所產生的原子間作用力。當兩個原子通過這樣的方式「粘」在一起，我們稱兩者之間產生了一個「鍵」。我們希望鍵的強度越大約好，每個原子伸出的鍵越多越好。

要在空間中鎖定一個原子的位置，至少需要四根化學鍵，也就是說組成材料的原子配位數至少是四。而到目前為止，材料科學家已經嘗試了元素周期表上的元素所能形成的所以的「鍵」，也就是說，任何兩者原子間的鏈接強度都已經被考證過了。遺憾的是，最理想的，仍然是最原始的元素——碳。

每個碳伸出四個「鍵」，而碳-碳鍵的強度很高——在所有的原子裡面，配位數大於或等於四的，最強的就是碳-碳鍵了。所以金剛石是世界上最硬的材料，石墨烯是世界上強度最高的材料——過去是，現在是，將來也一定是（不知道硬度和強度的區別？簡單的講硬度是衡量材料耐壓的能力，而強度是耐拉的能力）。樂天派可能說了，石墨烯的強度是鋼的一百倍啊，材料天花板還很遠啊。首先，糾正一下，材料科學家的原話是「石墨烯的理論強度是鋼的100倍」。什麼叫「理論強度」？理論上，人的壽命都可以達到150歲：理論上，一千塊物質完全能力化為89,876,000,000 MJ：理論上，植物把1%的太陽能轉化成化學能，一畝可以產十萬斤糧食……所謂理論上其實就是理論家畫出的天花板，而在這一天花板的下面，還有另一層天花板，叫做實現。目前，超高強度鋼AerMet100的強度是2GMPa（F22的起落架就是AerMet100的）。強度更高的鋼不是沒有，但是脆性太大。而石墨烯的理論強度可以達到200GPa。不過，作為一個材料工程師，我可以告訴大家，鋼鐵的理論強度是20GMPa，而且鐵晶體是立體的，可以承受三個方向的力（石墨烯只能承受兩個方向的力）而實際上AerMet100差不多已經是我們的極限了。30年來，還沒人合成出脆性不增加而強度超過AerMet100的鋼材。美國人財大氣粗資源豐富搞合金鋼，日本人只能研究碳纖維了，東麗的T1000強度7 GMPa，是目前強度最高的一維宏觀材料。為什麼F22的起落架不用碳纖維呢？就在這個一維上面。碳纖維說白了就是一根線，只能承受拉力，要承受其他方向的力？可以啊，纏繞打卷，用線織成布。這樣一弄，強度還不如超高強度鋼，好在碳纖維輕啊，做不了起落架可以做飛機翅膀。碳纖維的微觀結構主要就是石墨烯，也就說說，理論強度20的鋼鐵，現在實際強度2，差不多到頂了.理論強度最大的材料石墨烯，目前各種方法計算出的理論強度中最大的為180GPa, [https://wenku.baidu.com/view/49b7cf52be23482fb4da4c72.html]

目前實際強度7 GPa，如果繼續研發，估計可以達到20甚至50 GPa，相對應的三向強度大約是5~12 GPa，即在現有材料的基礎上增加5至10倍，很難再高。

實際強度要達到理論強度的四分之一，容忍的缺陷只有大約2個原子，常溫的熱運動和自然本底輻射就足以產生這樣的缺陷。如果保留在超高空和太空的高輻射環境下，缺陷還會進一步增大，使得實踐強度降低到理論值的十分之一。

綜上，未來材料，硬度極限為金剛石，納米晶或者叫准晶金剛石的硬度略好用晶體金剛石，這已經是硬度極限了。材料宏觀強度極限大約可以達到當前的2至5倍（常溫）。一維宏觀材料可以達到20 Gpa，50 Gpa強度的纖維將是十分脆弱的，自然環境的本底輻射可能就會將其破壞。三維材料的宏觀大約可以達到10Gpa，並且會很脆。耐熱極限是由原子間作用力覺得的，在電磁相互作用力不發生變化的前提下，不會變化。仍然是3000℃~4000℃。

特例說明：使用第一性原理，通過內聚能計算「鍵」強是最科學的方法。遺憾的是由於量子力學和相關數學工具還不夠完善，我們還不能用理論計算反方法準確的計算內聚能。實驗測得內聚能然後計算相應的強度和硬度也是一種思路。有文獻顯示鋨的某些化合物可能具有更高的硬度和強度。但是由於地殼中鋨極其稀有，所有目前還沒有準確的內聚能實驗數據。

此外，考慮到納米晶金剛石的硬度超過晶體金剛石，使用氮、硼、鈦、鋨取代部分晶界碳原子，可能形成比納米晶金剛石硬度高出幾個百分點的材料。但是這種以缺陷和孿晶增加硬度反原理，不適用於增加拉伸強度。

細說功能材料

相當於已經觸頂的結構材料，功能材料多少還有一定的發展空間。介質到本文撰稿（2018年），主流先進的晶元工藝為線寬12nm，接近極限，但是還沒有完全觸頂。未來可以達到6nm量級，如果繼續減小，量子隧道效應就會毀掉一切。單晶硅仍然是目前主流的半導體材料，而為了以碳為骨架的功能材料很可能成為主流：石墨烯在特點方向上的導電能力超過銀銅，而金剛石的高絕緣高導熱性使其可以作為理想的絕緣材料。筆者還沒有看到文獻在理論上證明常溫超導不可實現。然而存在可長期使用室溫超導材料的可能性真的很低：即使未來成功合成了室溫超導材料，其壽命也令人擔憂——讓我們做個簡單的推理：假設存在室溫超導材料X，既然在室溫下使用，材料結構不可避免的猶豫熱運動和輻射不斷產生缺陷。如果X材料的結構本身處於嚴重的非穩態，那麼這些缺陷就會不對積累導致材料結構轉變。X材料幾乎不可能是常溫穩態材料（否則早就自然產生了），那麼是否可能是類型金剛石、斯石英或者滲碳體這樣常溫比較穩定的非穩態材料呢？也不太可能。這些非穩態晶體之所以能在室溫下保持長時間的溫度，原因在於其高強度的晶格、較低的轉變自由能和較簡單的結構。而具有高強度晶格的簡單原子結構並不是無限多的。事實上固體物理學已經遍歷了其中很大一部分。可以預見，按照目前的研發速度，如果到21世紀末足以遍歷所有的結果了。如果到時候我們還沒有找到室溫溫度的X材料，那麼石墨烯就是室溫導線的導電極限。

而即使是低溫超導技術，

另外，導電材料的上限實際上決定了人類製造宏觀磁場能力的上限，而後者又是人類製造宏觀非接觸力場的上限。比如熱核反應堆需要的磁約束、磁懸浮列車、等離子推進器等。

截止到本文撰稿（2018年），主流先進的晶元工藝為線寬12nm，有報道稱實驗室中實現了1nm級的線寬，使用的是碳納米管導電MoS2作為絕緣層。

能源材料說完了說具體的工程技術。

航天技術

太空採礦也好，太空移民也好，首先得有航天技術對不！要把飛船送上太空，至少要達到第一宇宙速度 v1=7.9 公里/秒，你要是上個月球啊火星啊什麼的，則需要第二宇宙速度為 11.2 千米/秒（上月球需要的速度比第二宇宙速度小一點點），要是飛出太陽系，那就需要第三宇宙速度v3=16.7 公里/秒。怎麼才能飛這麼快？無非三個辦法，被扔上去，或者自己飛上去，或者扔一段飛一段。（要飛出太陽系，還可以藉助行星的引力加速，就像旅行者所做的那樣，不過行星提供的速度是十分有限的，而且要藉助行星的引力加速，需要很長的「繞」很多的路，）現在的航天技術基本上都是「自己飛」。自己飛就需要一個重要的東西：工質。根據動量守恆，你自己要往前加速，就要往後「噴」點什麼。根據動量公式：

p= mv

可知，要獲得單位大小的推力，工質噴射的速度越快，消耗的工質越少。但是根據動能公式：

E=1/2 mv^2。

前者的v是一次，後者是二次，所以要獲得同樣多的推力，工質噴射速度越快，消耗的能量越多。兩個極端的情況，一是工質質量取無窮大，則最節省能量。也就是用大地作為工質（地球的質量相對於航天器極大）用電磁彈射或者太空繩梯發射航天器；二是速度取極大，也就是光速，即航天器先後發光，利用光反衝前進；介於兩者之間的，包括現有的化學火箭發動機、更節省工質但是更消耗能量的等離子推進器。

前文所述，結構材料的性能已經被鎖死，太空繩梯就不要想了，電磁彈射目前還沒有發現硬性的限制因素，唯一的問題是高昂的成本。前文所述，人類能利用的能源是有限的，而已可利用能源的利用成本正在也必將不斷增加，而電磁彈射項目的建造是需要消耗大量能量和物質資源的，人類能否在能源耗盡之前建成用於發生衛星的電磁彈射裝置，目前還是個問號。

化學火箭的性能已經接近極限（具體見後文儲能技術），等離子推進器可以更節省工質，被視為遠距離宇宙旅行的優選方案。等離子推進器需要巨大的能量供應，在離太陽較近的情況下，可以考慮太陽能，而一旦原理太陽，就只能選擇原子能，也就遇到前文能源天花板的問題。

儲能技術

從手機到汽車到航空航天，儲能都是必須的技術。太陽能可以為衛星提供通信所需的電能，也有純太陽能的飛機，然而太陽能的分散性和環境敏感性決定了它不可能適用於汽車、手機這樣的生活用品，所以儲能技術是與生活息息相關的一項技術。

對於四種基本的相互作用力。引力的強度太弱，除非形成黑洞，否則其儲能應用不予考慮（這裡指的是移動設備的儲能，固定設備例如發電站使用引力儲能不予討論），黑洞的部分在本文黑洞引擎的部分詳細討論。

強、弱相互作用力作用距離極短，其參與的過程全部都是核反應和基本粒子反應的形式。在此僅以核反應為例說明。

小型核能系統是否可行。可發生的核反應太多（雖然大部分是吸收能力的，也就是負產出），沒辦法像化學反應那樣窮舉。然而，中微子、電子和光子引發核反應的概率太低（其波長相對於原子核太長），不可能作為核反應鏈的傳遞部分。所以要讓原子核發生反應，就必須有重子「撞」原子核。核反應的能力等級不足以製造其他強子。只能是質子和中子。

質子（含質子的原子核）「撞」原子核既是聚變——1千萬攝氏度的條件是最低的入場券了，小型化不可能。既是約束條件很先進，高溫等離子體的輻射也會散失大量的熱。小型化的聚變堆一定是負產出的。

中子「撞」入原子核——這就是熟悉的裂變了。要維持足夠強度的裂變，必須有足夠的中子通量。所有裂變堆的外壁需要：中子反射材料、中子減速材料、中子吸收材料。中子反射減速吸收依靠的是原子核，所以尋找這三種材料的過程相對較低——只要遍歷所有的元素同位素就可以了。為了製造更小的核彈和衛星/潛艇用反應堆，除了極不穩的的同位素不予考慮，穩定和半衰期較長的同位素歐已經被大國測試過。（數據甚至可以下載）。在不考慮輻射泄露的情況下，目前實現鏈式裂變的最小質量是10kg（Pu239裸球），而理論上最小的實現鏈式裂變的質量是2.73kg（鐦-252裸球），然而質量數超過239的超鈾元素成本是極高的，具體的原因我們在關於超鈾元素的部分會講到。而大部分情況下，我們要去反應堆的中子必須被屏蔽，甚至作為中子屏蔽的材料在使用後也要填埋處理。由於中子只與原子核發生作用，且只有吸收、散射（彈性）、非彈性散射、引發裂變幾種作用結果。材料的分子或晶體結構是不影響其中子屏蔽能力的。而即使中子屏蔽能力最好的氫、硼、鉿也需要噸/平方米數量級的面密度才能將把裂變中子屏蔽到安全的水平。這意味著即使反應堆只有內燃機氣缸大小，屏蔽裝置也要重達幾頓。而由於有中子參與，反應產物必然帶有放射性，這意味著反應堆本身不能接觸空氣，必須封閉，通過熱傳導輸出熱量。這意味著，即使不計屏蔽材料，核反應度輸出同樣功率的情況下，體積和重量也是遠遠大於化學反應熱機（內燃機或燃氣輪機）的。

沒有重子「撞」原子核過程是否可以輸出原子能呢？可以，那就是衰變，然而正因為衰變不需要重子「撞」原子核，所以其速度是不收控制的。利用放射性元素衰變能量的放射性電池即使不放電的情況下，也會不斷輸出等功率的熱量。此外放射性是隨時間衰減的，輻射強度對時間滿足指數小於1的指數函數，功率越大的電池衰減的放射性電池越快，即便如此，放射性電池仍然是比較理想的手機電池，前提是人類行為的穩定性足以保證此類電池不被損壞或丟棄，實現完全回收。

除了放射性電池，所有的小型化儲能系統都只有電磁力參與，即以以電磁力將系統固定在非穩態。由於電磁力的強度有限，這種方式儲能的能量密度也是存在上限的。

化學儲能。單位質量的化學反應，能量最高的是氟-鋰反應：

2Li+F2=2 LiF+589J/mol

質量能量密度為：589/20.0= 29.45(MJ/kg)

對於稠密大氣層內的化學反應，如果使用空氣中氧作為氧化劑，則往往只計算還原劑的質量。此時質量能量密度最大的燃料是氫：

2H2+O2=2 H2O+483.65/mol

質量能量密度為：483.65/4.0= 120.91(MJ/kg)

以上兩個反應的能量是按照產物的生產焓計算的，實際上更準確的方法是使用吉布斯自由能或者電位計算，考慮到大功率的化學能-機械能轉化過程仍然是以熱機為主，所以採用焓計算，用自由能計算的結果與焓的差別也不大，有興趣的讀者可以嘗試一下。如果使用的燃料是非穩態的（比如金屬氫），理論上可以產生更高的能量密度，但是非穩態材料的能量越高，越不穩定，比如金屬氫，需要大於100GPa的壓強才能保持穩定，而且金屬氫的自分解是固有的熱力學性質，不能通過增加添加劑等方式增加其穩定性，根據前文對材料天花板的論述，維持大於100GPa的壓強至少需要10倍於金屬氫重量的石墨烯材料容器。

機械儲能和電磁儲能。飛輪、高壓氣瓶（高壓氣瓶僅僅適用於外界恆溫環境如地球大氣層內，不適用於太空）、高強度彈簧、電容、電感線圈等等結構同樣具有儲能的效果。

其中，任意形狀彈簧儲能的天花板是材料的強度和彈性模量：

E彈性/m=0.5δ^2 /λ*ρ 其中δ為材料強度，λ為彈性模量，ρ為材料密度

飛輪儲能技術的天花板主義是材料的單向拉伸強度：

E飛輪/m=0.5*ω^2*r^2+ E彈性/m

=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ

其中第一項是動能，第二項是飛輪變形產生的彈性勢能

理論強度最高的材料石墨烯，目前各種方法計算出的理論強度最大值180GPa,理論彈性模量1T GPa，帶入上式：

E/m=0.5δ/ρ+0.5δ^2 /λ*ρ

=0.5*180*10^9/(2.25*10^3)+0.5*180*10^9*180*10^9/(1*10^12) /(2.25*10^3)

=47200000(J/kg)=47.2(MJ/kg)

注意這裡引用的是石墨烯的最高理論強度。前文材料天花板這敘述，實際強度難以超過理論強度的四分之一，對應的飛輪質量能量密度只有10(MJ/kg)，這僅考慮了飛輪輪體部分的強度，如果考慮軸承等因素，還會更低。

電容的容量取決於其電解質，電解質的擊穿場強和電容量決定了其能量密度。

E/m=0.5*ε*E^2/ρ其中ε為電解質電容率，E為電解質擊穿場強，ρ為密度。

共價鍵晶體的ε差不多，E最大的是金剛石材料，對於金剛石：

E=0.5~1GV/M[http://www.docin.com/p-979875412.html]

=6~8 ε0

ε0 = 8. 9 × 10^12F/ m, ρ=3.5×10^3kg/ m^3

所有數值取最大值情況下，金剛石電解質電容的能量密度：

E/m=0.5*ε*E^2/ρ=0.5*8*9/10^12*(1*10^9)^2/(3.5*10^3)=1^4（J/kg）=0.01(MJ/kg)

離子電解質電容實際上介於共價共價鍵晶體電容和化學電池直徑，更接近化學電池的離子電解質電容可以獲得比金剛石電容更大的電容，但是儲能穩定性很低（自發漏電），而且能量密度不可能超過化學電池。

理論上使用鋰合金製造飛輪配合氟氧化劑是能力密度最高的方案。

關於超鈾元素

以上關於材料、儲能技術的論述都是基於元素周期表現有元素的，98號元素鐦（Cf）及其以前的元素都已經被窮舉。99~109號元素的半衰期都在一年以內，超鈾元素穩定島即使存在較穩定的元素，其半衰期也不可能超過萬年（或許是秒級別的）。

這意味著，無論這些元素及其與其他元素的化合、混合物的固體物理性質如何，都不可能產生穩定的、低缺陷材料。而無論是受力的結構材料還是半導體、導體等功能材料，對缺陷都是十分敏感的。所以這些元素作為結構材料、電子材料的應用沒有考慮的必要。

作為化學儲能材料，較重元素的能量密度是不可能大於較輕元素的，所以這些元素的化學儲能同樣不予考慮。

思路總結

不同於理論性嚴謹的理學論文，本文使用的信息比較雜亂，我沒有逐條核實。我也很希望有人能提出質疑，因為對科技天花板的每一次質疑都是給未來的一份希望，但是這質疑應該是有意義的、符合現實的或者說至少是自洽的。

類似於「科學一直在進步所以將來一定會繼續進步」、「現在人無法想像未來的技術」這類說法就不必提了，徒增笑料。

如果有人在某一段的推理中質疑我，我希望你具有相應的基礎知識。總之，本人的知識博而不專，或許每個人在其擅長的領域都比我精通，所以，如果要質疑我給出的結果，請選擇你精通的方面。

比如說你對相對論的可靠性有疑問，覺得相對論不適合作為理論依據，那麼你至少應該知道相對論的基本假設是什麼；比如你高呼石墨烯的強度是鋼鐵的百倍，那麼至少應該知道什麼叫強度。

最後，如果認為本文的邏輯體系存在問題，比如「現在的知識不適用於未來」。那麼請等待我關於唯物主義和唯心主義的論文。

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