科普-中华学生百科全书-第219章
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宙飞船上使用了燃料电池，才使得它崭露头角，引起人们的重视。
电筒里、收音机里使用的干电池，外壳是负极，中间的碳芯是正极。长
期不用，干电池外壳会渗出一种溶液，这是电解液，就好比是伏打实验时用
的盐水。燃料电池也有正、负电极和电解液，只不过多了氧化剂和燃料。
燃料电池的发电原理与干电池一样，所不同的只是，干电池的燃料装在
电池内部，当燃料用完以后，电池就不能继续供电，需换新的电池使用；而
燃料电池的燃料是贮存在电池之外的，只要燃料和氧化剂连续输入电池中，
燃料电池就可源源不断地发电，燃料电池也就由此而得名。
由于使用的燃料和氧化剂有许多种，所以，燃料电池的种类很多：有氢
—氧燃料电池，“阿波罗号”宇宙飞船上使用的就是这种燃料电池；有金属
氢化物—空气燃料电池；有甲醇—氧燃料电池；有水—钠燃料电池。水—钠
燃料电池是很先进的燃料电池，它由钠和水做燃料，钠是碱性金属，它同水
一起会发生猛烈的化学反应，放出大量的热。水—钠燃料电池的副产品是氢，
它是人们正在开发的新能源。使用水—钠燃料电池，不需要使用输电线，只
要用汽车或火车把钠送给用户就可以，使用非常方便。
除了水—钠燃料电池之外，人们正在研究更先进的方法，直接利用天然
气或人造煤气做原料的燃料电池，以海水为原料的燃料电池也在研制中。
燃料电池的优点很多，主要是在工作时没有噪音，不会产生有害气体，
效率高。现代化燃料电池实际上是座无污染、无噪音的发电厂，发电容量可
有 10 万千瓦，效率比小型电厂高 1～3 倍，能保证一个家庭、一家工厂，甚
至整个居民点的用电。
冰也能燃烧吗
冰在夏天是少年朋友最喜欢的消暑饮料，怎么也能成为燃料呢？因为，
此种“冰”非那种冰。我们所说的“冰”，不是由水凝结而成的自然冰，而
是由天然气——甲烷的水溶液凝结而成的。它蕴藏在海岸深处的地层中，外
表和特征都与自然冰相似，但是它能直接燃烧。所以，科学家把它称为“可
燃冰”、“透明煤”。可燃冰是怎么来的？它是高压、低温的产物。海洋深
处的压力究竟有多大？让我们先来看一个故事。
1963 年 4 月 10 日，当时美国海军中最先进最复杂的攻击型核潜艇“长
尾鲨号”，在水中试验潜艇下潜深度。当下潜到 240 多米时，艇体发出一种
尖细的叫声，叫声混杂在各种声音里，并没有引起人们的注意。战士们都沉
醉在兴奋和激动中，因为这个深度是海军以前从未到达的深度，他们正在走
前人从没走过的路。到了 300 多米时，刺耳的尖细叫声更加频繁急促。“砰！”
潜艇的辅机舱突然传来巨大的金属爆破声。巨大的深水压力把海水汽化成浓
密的雾弥盖了辅机舱。不久，核反应堆停止工作，潜艇主机车停车。艇长采
取了一系列应急措施都无济于事，潜艇继续下沉。接着，机舱传来惊天动地
的巨响，1500 吨海水冲进受伤的潜艇。艇内通常约每平方厘米 1 千克的空气
压力，急剧上升到至少每平方厘米 56 千克，那些没有被水流冲杀的战士，顷
刻间被高压空气压死了。巨大的水下压力使“长尾鲨号”核潜艇从此消失了，
129 名艇员全部丧生。这一水下大悲剧惊动了美国朝野，传遍全球。
在海洋中，海洋的动物和微生物遗骸不断沉积在海底，会分解出一种甲
烷气体。由于洋底的温度低而水压力非常高，所以，大部分甲烷气体不是逃
逸到水面，而是被压力压到沉积岩细微的孔隙内转化为水合物。这些充满水
合物结晶体的沉积物，随着时间的推移，被新的沉积物覆盖。这时，水合物
开始分解，气泡冲破冰的封锁，沿着弯弯曲曲的缝隙和孔隙向上运动，重又
进入上面的水合物形成区……这样，在数百万年的漫长岁月里周而复始，形
成了固体化合物——冰矿矿床。
地球上冰矿的蕴藏量十分惊人。美国和加拿大沿海地区蕴藏量估计达数
百亿立方米，可供开采几百年。在俄罗斯的里海、黑海和鄂霍次克海也取出
了含可燃冰矿的岩芯。新西兰、印度、日本等国都有可燃冰矿存在。
只是目前世界上还没有开采冰矿的经验和技术。人们正在研究开采方
法。可以预料，随着科学技术的进一步发展，不远的将来，这一难题会得到
解决。到那时，人类就可以用冰做饭、取暖、炼钢、发电等。
21 世纪能源展望
“反物质”能源
1908 年 6 月 30 日清晨，俄罗斯西伯利亚通古斯地区发生了一场前所未
有的大爆炸，它的威力相当于 2000 颗巨型原子弹同时爆炸，一时间爆炸的巨
响震着万里长空，声音传到 1000 千米之外，炽热的火球在空中翻滚，熊熊烈
焰把 2000 平方千米范围内的树木全部烧毁，巨大的气浪冲击着四面八方，100
平方千米以内的房屋屋顶全都被掀掉。这场威力无比的大爆炸是怎样发生
的？几十年来一直是个难解的谜。
1965 年，美国科学家李比博士发表文章，认为通古斯大爆炸的起因是“反
物质”引起的。反物质经茫茫的宇宙，进入由正物质组成的世界，在正物质
的引力作用下，落到西伯利亚的上空，跟正物质相撞，一瞬间，正反物质全
部转化为巨大的能量，周围大气的温度急剧上升，产生剧烈膨胀而发生大爆
炸。正反物质的这种反应叫做“湮没”反应，在反应过程中全部物质都转化
为能量。湮没反应产生的能量非常巨大，至少比核反应产生的能量大 100 倍，
而且不产生放射性。
什么是反物质？它为什么会有这么巨大的威力？这就得从科学家爱因斯
坦的一个著名的公式说起。爱因斯坦认为运动的物体都有能量，当它的总和
是一个正值时，这种物质就是我们在生活中看到的各种物质。但是，当运动
的物体所具的能量的总和是一个负值时，情况就完全两样了，物质的性质跟
我们日常见的正好截然相反，那种物质就称为反物质。
反物质的内部组成跟正物质正好相反。正物质的原子是由带正电荷的质
子和带负电荷的电子组成的，而反物质的原子却是由带负电荷的质子和带正
电荷的电子组成的。所以，反物质受力后，它的运动方向跟正物质的运动方
向完全相反。当你向前推它，它却往后靠；当你往南推它，它却向北移动。
正反物质在短距离内是“水火不相容”的，它们很难同时存在，一旦相
遇，就相互吸引，通过碰撞而同归于尽，同时放出大量的能量。在我们所处
的半个宇宙中，只有正物质存在，而离我们非常遥远的另半个宇宙中，却是
反物质的世界。
这是神话故事，还是科学？这是科学！因为经过科学家几十年的努力，
现在已经找到各种反粒子和反物质。1932 年，科学家在宇宙射线实验中，发
现了正电子。正电子是电子的反粒子。1955 年，科学家获得了反质子和反中
子。反质子是质子的反粒子；反中子是中子的反粒子。1965 年，科学家得到
了世界上第一个反物质，由反质子和反中子组成的“反氘”，后来，又得到
了反物质“反氢”。
既然反物质确实存在，那么，利用反物质的特性，利用物质和反物质在
湮没过程中释放的巨大能量，把反物质作为未来能源，前景是太美妙了。把
反物质跟化学燃料相比较，需要使用的量相差得实在太大了。比如，把航天
飞机、巨型火箭送上太空，使用液体化学燃料大概是 200 吨，如果换用反物
质，只需 10 毫克（相当于小小的一粒盐）就足够了。
但是，现在要充分利用反物质还有许多困难。要得到反物质，除了研制
技术上的难度非常大外，生产费用也大得惊人。初步估计，生产 1 克反物质，
至少要花费 10 亿美元。
另外，反物质的贮存、运输也是一大难题，它只要一接触普通的物质，
就会立即爆炸。
目前，研究反物质还只是在探索阶段，要把反物质作为未来的能源，只
能说是一个美好的理想。
在 21 世纪，经过科学家的不懈努力，反物质之谜将会被彻底揭开，它为
人类服务的时代也将会来到。
地球发电机
我们的地球是一个庞大的天然磁体，它的磁场却比较弱，总磁场强度不
过 0．6 奥斯特。地球磁场的强度由奥斯特换算为伽玛，则是 6×104伽玛，即
6 万伽玛。然而，地球却在不停地转动，它每 23 小时 56 分便自转 1 周，所
具有的动能是一个很大的数值，为 2．58×1029焦耳。
具有磁场的天体旋转时，由于单极感应作用，就会产生电动势。如果我
们把整个地球作为发电机的转子，以南北两极为正极，以赤道为负极，理论
上可以获得 10 万伏左右的电压。这便是人们把地球本身当作一个巨大的发电
机的一种设想。不过，如何把地球自转发出来的电引出来使用，还须有另外
的方案或设想。
电磁感应定律告诉我们，导体在磁场中作切割磁力线的运动便会产生感
应电流。由于地球本身具有磁性，所以，在地球及其周围空间存在着地磁场。
地球上的河流和海洋也是导电体。随着地球的自转，它们自然而然地就相对
于地磁场产生了切割磁力线的运动。那么，河流和海洋中就有地磁场的感生
电流了。要知道，光海洋就覆盖着地球表面的 71％呢！如果想办法把河流和
海洋中的感生电流引出来，不就有巨大的电能供我们使用了吗？显然，这是
利用地球发电机的另一种方案。
还有，地球本身又是一个巨大的蓄电池。它经常被雷雨中眩目的闪光充
电。雷雨云聚集和储存的大量负电荷，使云层下面的大地表面感应出正电荷。
两种不同极性的电荷互相吸引，就驱使电子从云层奔向大地，形成闪电给地
球充电。据估算，每秒钟约有 100 次闪电袭击地球，其闪光带长度从 300 米
到 2750 米不等。一次闪电电压可达 1 亿伏，电流可达 16 万安培，可以产生
37．5 亿千瓦的电能，比目前美国所有电厂的最大容量之和还多。但闪电持续
时间很短，只有若干分之一秒。闪电中大约 75％的能量作为热耗散掉了，它
使闪电通道内的空气温度达到 15，000℃。空气受热迅速膨胀，就像爆炸时
的气体一样，产生震耳欲聋的雷声，在 30 千米以外都能听到。
1752 年，伟大的富兰克林曾带着他的儿子在雷雨中用风筝捕捉闪电。他
的不怕牺牲、勇于探索的精神实在可嘉；但是他的实验结果，除了导致避雷
针的发明外，在利用闪电方面却影响不大，至今还没有人找到利用闪电能的
有效途径。在地球表面产生的具有强大能量的闪电，能不能直接用来为人类
造福呢？已转化为热能的 75％的闪电能是否也可利用呢？有没有办法使闪
电不把那么多的能量转化为热能，仍保持电能的状态为我们所用呢？能不能
撇开上述思路另辟蹊径，譬如�
