探索者之歌(中)

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蓝天奇葩阳光动力2号

  小e提示:甘老师在他的名著《茫茫宇宙觅知音》的结尾这样高呼:“幻想是美好的,而探索则更加美好……”在这里,甘老师继续接着第8期的内容讲解,而本期甘老师讲的则是探索的故事
  勇做开拓者,立下探索志。
  幻想变现实,激励后来人。
  “我想以科学探索的方式来激励大家,如果你有开拓者的精神,就没有什么是你做不到的。”
  在宣讲“阳光动力”项目时,贝特朗·皮卡尔如是说。
  是的,他就是一个以开拓者的精神去奋力进行科学探索而取得成功的勇士。追本溯源,皮卡尔家族就有探索的传统,他们祖孙三代都是热情的开拓者、勇敢的探索家。更难得的是三人都以大无畏的精神,用生命挑战极限,并创造了世界纪录,成为探索的典范,名留青史。
  他的祖父奥古斯特·皮卡尔(Auguste Piccard)是向“高”探索,成为“飞得最高”的人。他提出了用增压密封舱和热气球飞到平流层的基本原理,并于1931年5月27日,与助手保罗·基弗(Paul Kipfer)一起用自己研制的增压舱乘气球飞往平流层创造了纪录,高度为15781米,成为首位用肉眼看到地球曲度的人。
  奥古斯特共飞了27次,并曾创造23000米的纪录。后来,他的探索又转向海洋,发明并建造了一种深海潜水器。于1953年,他和儿子雅克·皮卡尔(Jacques Piccard,也就是贝特朗·皮卡尔的父亲)一起下潜到海底3150米处,成为当时世界上既飞得最高,又潜得最深的人。
  贝特朗的父亲雅克是向“深”探索,成为“潜得最深”的人。雅克继承父志,于1960年1月23日,与美国海军中尉唐·沃尔什(Don Walsh)一起驾驶他参与设计的深海潜水器—的里雅斯特号(Trieste),史无前例地下潜到海洋最深处的马里亚纳海沟(Mariana Trench)底部,成为潜得最深的人,深度为10916米。
  本文主角贝特朗·皮卡尔则是向“远”探索,成为“航得最远”的人。1958年3月1日,皮卡尔生于瑞士沃州的洛桑( Lausanne) ,毕业于洛桑大学精神病专业,成为一名精神科医生。但家族开拓者的探索传统使他自幼就是个滑翔飞行迷,1985年他就成为欧洲特技飞行冠军,后来他又迷上热气球飞行,并于1999年3月1日(这天是他41岁生日)至20日,与英国人布莱恩·琼斯(Brian Jones)一起驾驶百年灵轨道飞行器3号(Breitling Orbiter 3,它是一种特制的混合型气球,“百年灵”是赞助商的名字)实现了人类首次不间断乘气球环球飞行。历时19天21小时47分,航程45755千米,成为20世纪最后一个飞行纪录的缔造者。百年灵轨道飞行器3号则珍藏在美国首都华盛顿的国家航空航天博物馆供世人观赏。
  傲人的远航成绩并未使皮卡尔停步,而是向更新、更难的领域探索。他高喊出“探索改造世界”的口号,梦想着用更环保的方式环球飞行。不久,他倡议研发一款能载人飞行的太阳能飞机,并用它完成载人太阳能飞机的首次环球飞行。整个旅途仅由太阳能驱动,不用航油、又无污染。他不仅希望以此创造新的飞行世界纪录,而且想借此行动为探索利用清洁能源和提倡创新精神作出贡献。这就是“阳光动力”项目。在该项目的官方网站的首页头条就骄傲地写着:“阳光动力:一个始于瑞士的梦想”。它的能源为太阳能。那么,大家对太阳能了解多少呢?

人类首飞平流层纪念银币,正面是两人头像,左为奥古斯特,右为保罗;反面刻有飞升的日期、高度、气球形状和出发地德国奧格斯堡(Augsburg)

  白 话 太 阳 能
  说起太阳能,人们也许会感到既熟悉又陌生。可以说,自从人类懂得观察宇宙以来,就已受到太阳能的“恩惠”。太阳能的本质就是太阳的电磁辐射能,它是一个全波谱的辐射,不仅有红橙黄绿青蓝紫的可见光,还有看不见的无线电波(如长波、中波、短波、微波)和射线(如红外线、紫外线、伽马射线、X射线)。
  其实太阳辐射,也会或多或少地对人类造成一定的伤害,特别是紫外线、伽马射线、X射线都会极大地伤害人体,甚至可以这样说,如果太阳辐射毫无阻挡地倾泻到地球,那我们人类和地球上的一切生物都将不复存在!
  幸好,我们的地球已经在“身上”裹了一层厚厚的“气毯”——空气(学术上更习惯称之为“大气”)。这层大气就成了一个有效的过滤器。它只开了两个天窗,一个是“光学天窗”,它“放进来”可见光、绝大部分红外线和极小部分紫外线;另一个是“无线电天窗”,它主要“放进来”微波。归纳起来,太阳辐射到地球大气层外沿的能量,只有一半(51%)穿过大气层到达地球表面(主要是可见光波和红外线),即主要送来了光和热。
  小e提示:关于太阳辐射与地球的关系是一个异常复杂而有趣的问题,有兴趣的读者可参看甘老师的《生活在电波之中》(湖北少年儿童出版社,2011年1月),下面我们还是从能源的角度听听甘老师怎么说?

皮卡尔(左)与琼斯驾驶百年灵轨道飞行器3号降落在离埃及首都开罗约500千米的沙漠中

我们将从两方面来讲讲太阳能:
  从能源的数量来说,可以做个形象的比喻,如果把太阳每秒钟辐射到地球的能量全部转换为热量,大致相当于500万吨标准煤在完全燃烧后产生的热量总和。现在人类每年从地下开采出来的化石燃料,如果都折合为标准煤,大约是100亿吨。也就是说,如果能把到达地球的太阳能全部用上,只需半个多小时的太阳能就够人类一年之需了!而且还是源源不断、免费地供应着。遗憾的是绝大部分太阳能都未加利用,真可惜!
  从能源的形式来说,太阳辐射到达地球,大约把它能量的千分之三传给植物,植物的叶绿素才能进行光合作用,转化为生物能,以合成各种物质。据估计,全球植物全天大约可产生4亿吨蛋白质、碳水化合物和脂肪,同时还释放出近5亿吨氧,为人和动物提供了必需的食物和氧气,而其余的大部分能量则传给了大气、陆地和江河湖海。太阳辐射不仅造就了万千气象,左右着地球冷暖,带来了昼夜和季节的轮回,而且转化成风能、雷电能、水力能、海洋能等。目前人们把这些能源统称为“可再生能源”,而它们都是由太阳能转化而成。至于人们目前主要使用的不可再生的化石能源(煤炭、石油、天然气等)也是几百万年前,被埋在地下的动物和植物转化来的。若没有阳光,哪会有动物和植物。从这个意义上说,化石燃料也是由太阳能转化来的!一句话,除地热能和潮汐能之外,太阳能是地球上的一切能源之母。
  如今,人们常说的“利用太阳能”,并不包括上面提到的由太阳辐射(在自然界中)天然转换成的能源。而只是狭义的指,通过人造的器件和设备,人为地把太阳辐射的光和热转换为可再生能源。学者们把它作为一种清洁能源与上述各种能源并列。

欢呼!皮卡尔(上左)、波许博格(上右)和项目团队的部份队友

  梦 想 成 真
  皮卡尔的梦想就是把太阳能转换为电能,去驱动飞机,从而既不用航空油料、又无污染,就可实现昼夜兼程地载人环球飞行。你猜,他的这一想法提出后,主流飞机制造商的直觉反应是什么?
  那就是:不可能!
  皮卡尔决心向“不可能”挑战!用他的探索热情去“感动”世界,赢得了许多志愿者和企事业单位的热情支持,终于众志成城,使梦想成真。
  皮卡尔在埋头完善自己计划的同时,还努力向社会宣传他的理念。2003年,皮卡尔向瑞士洛桑联邦理工学院详细介绍了他的计划,后者立即同意由波许博格牵头开展可行性研究。波许博格比皮卡尔大6岁,毕业于该学院,又在美国麻省理工学院拿下了管理学硕士,还当过瑞士空军的战斗机飞行员,集工程师、企业家、飞行家之名于一身。他与皮卡尔真是绝佳的搭配。
  果然,经过一段紧锣密鼓地研究和筹备,2003年11月28日,他俩对外界公布:正式创立“阳光动力”项目。皮卡尔是项目的发起人兼主席,波许博格为项目的首席执行官,两人也将作为未来的太阳能飞机驾驶员进行环球探索之旅。接着当然就是紧张的创业和创新。
  他们用了两年时间(2004-2006年),一边寻求合作伙伴,进行创业融资;一边组织科技骨干和自愿者进行创新开发。据称,“阳光动力”项目自创办以来,已获得全球8个国家的80多家企业和100多位顾问的资金与技术支持。如今该项目团队的总人数为136人,其中包括30名工程师、25名技术员和22名飞行控制员等。他们喊出了一个响亮的口号:
  “脚踏实地行动,共创清洁未来。”
  他们用了两年时间(2007-2009年),进行原型样机的建造。2009年6月26日在瑞士杜本多夫空军基地(Duebendorf) ,皮卡尔和波许博格在800多位嘉宾的见证下,为原型样机阳光动力1号(Solar Impulse 1,缩写为Si1,注册名称为HB-SIA)的亮相揭幕。接着,就是紧张地试飞和不断地改进设计,终于在5年之后(2014年4月9日),皮卡尔在瑞士贝耶纳空军基地(Payerne)举行新闻发布会正式宣布:造出了正式成品机—阳光动力2号 (Solar Impulse 2,缩写为Si2,注册名为HB-SIB)。
  欢呼吧!Si2建成,梦想成真!填补了能昼夜兼程地飞行的载人太阳能飞机的空白,把“不可能”变成了可能。正如联合国秘书长潘基文所说:“这是人类历史上的一大步,为全球所有人都传递了一个积极的信号”。
  正是:
  脚踏实地加油干,梦想成真战果现。
  五年磨出原型样,再磨五年剑锋展。
  小e结语:从2004年到2014年,“太阳动力”团队,真是“十年磨一剑”。下面就该驾着它完成环球之旅了。要知还有那些精彩,且看甘老师下期分解。
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