## 硬科技报告 | 如何一个星期往返月球？

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

今天我想跟你分享的材料是这个月的《硬科技报告》。彭天放老师给我们带来了两项硬科技领域的最新进展。

一条是航天领域的：美国国防部近期资助了一个叫做“天龙星座”的项目，这个项目正在研发一款基于核动力的火箭。如果研发成功，这可能会把太空飞行的时间大幅度缩短，给“太空大航海”时代打下基础。

另一条进展来自于芯片领域：瑞士科学家开发出了一种新的芯片散热系统，让细微的水流从芯片内部穿过，直接在源头完成冷却散热。要知道，芯片发热的问题每年让市场付出了上百亿美元的成本，如何高效率地散热也因此成了芯片领域研究的一个热点。

接下来我们就来听听，彭天放老师对这两项研究进展的解读。

你好，我是彭天放，欢迎来到10月的《硬科技报告》。

在过去的一个月里，我为你梳理出两项值得关注的硬科技进展：

1. 美国DARPA投资研发核动力地月任务火箭

第一项进展来自航天领域，这项技术有可能让未来的我们，在一个国庆长假的时间内，实现往返月球的旅行。

9月30号，科技媒体《太空》报道了美国国防部高等研究计划局（DARPA）最新资助的一项简称“天龙星座”（DRACO）的研究项目。这项研究的最终目标，是研发一款基于核动力推进系统的运载火箭，为美国提供在地球和月球之间进行快速航行的能力。如果未来核动力运载火箭真能投入使用，很有可能让载人飞船在一星期之内，在地球和月球之间打个来回。

这项听起来非常科幻的研究计划，将会由美国一家1996年成立的，叫做狮鹰科技（Gryphon Technologies）的军工企业主要来承担。这家公司也将得到来自高等研究计划局1400万美元的研究经费。目前披露的信息还非常有限，初步看来，现阶段主要的研究将会集中在火箭的核动力推进系统，以及敏捷部署能力的演示和验证上。

不过说起核动力运载火箭，我想很多人心中至少会有两个疑虑。

第一点，是对于这项技术可行性的怀疑。在我们一般的印象里，核动力推进装置一般只能安装在一些大家伙上，比如像是核动力航母、核潜艇等等，这都是排水量好几万吨的大型装备。而航天用的运载火箭，通常的重量就是几十到几百吨。笨重的核反应堆真的能够把火箭推上天吗？

这个问题的答案可能出乎很多人的意料。事实上，核动力不仅能够安装在火箭上，而且如果只从火箭的飞行速度这个性能指标来看的话，核动力火箭其实比传统的化学燃料火箭适合航天任务。——为什么这么说呢？

我们知道，传统的火箭靠的是大量的燃料燃烧产生能量，向后高速喷射物质来推动自身前进的。要想让火箭的飞行速度加快，一个最直接的方法就是给火箭加注更多的燃料，让火箭获得更长的加速时间。这其实也就是研发所谓重型运载火箭的思想雏形。

但是与此同时，更多的燃料还会带来一个相反的作用，那就是火箭上的燃料越多，火箭自身的重量也就越大，推动自身起飞就越困难。以“阿波罗”登月计划中用到的土星5号重型火箭为例，它的起飞重量大概是3000吨，这里面已经有超过90%的重量都用来装火箭燃料了。再想要通过添加燃料的方式研制更重更大的火箭，不仅技术难度大，而且成本上也不划算。

那还有什么别的方法能够提高火箭的飞行速度吗？诶，其实还有一个方式，就是加快火箭发动机向后喷射物质的速度。

火箭向后喷射物质的速度越快，就如同我们在游泳的时候更用力地向后划水一样，火箭也可以获得更高的速度。正因为这个原理，过去很多火箭发动机的相关技术，比如优化燃烧室的设计、优化喷管的形状等等，都是为了提高火箭发动机末端的喷流速度。

但是这个思路在传统的化学燃料火箭上，也很快遇到了瓶颈。因为不管火箭发动机再怎么优化，只要还是利用传统的化学燃烧过程，这个喷射速度就是有一个上限的。这个速度上限在本质上受限于化学燃烧的能量密度。科学家们于是就想，世界上有没有什么比化学燃烧的能量密度更高的反应可以利用呢？

于是科学家们很自然地，就想到了利用核反应过程。或者更具体地说，是利用铀元素的裂变反应产生的巨大热量，加速喷射氢气来让火箭获得推力。要知道铀元素裂变过程的能量密度，大概是传统化学燃料的400万倍。即便考虑上核反应堆复杂的结构，也很有希望让火箭发动机获得更高的喷流速度。

由于这个突出的优势，美国和苏联在上世纪六七十年代，都进行过核动力运载火箭的研制工作，特别是NASA的核动力火箭发动机，还获得了相当不错的实验成果。从过去已有的实验结果来看，采用铀元素的核动力火箭，发动机喷流的速度可以达到传统化学燃料的2-3倍。

更何况，核动力火箭还更轻便。现在的重型火箭动不动就要携带上千吨化学燃料，而核燃料因为能量密度高，估计最多也只需要携带几十公斤，即使算上整个核反应堆的总重量，也比大型化学火箭的重量轻。

听到这里，我想可能大部分人对于核动力火箭的技术可行性，不会有太多疑问了。但是我们一定还会有一个顾虑，那就是核动力火箭的安全性怎么样啊？要知道像是切尔诺贝利、福岛这样在地面发生的核事故，影响就已经很严重了。要是一个核反应堆在天上爆炸了，那可还了得呀！

关于核动力火箭的安全性问题，从目前已经有的资料看，应该还没有得到很好的解决。我判断这也很有可能是这次的“天龙星座”研究项目需要重点着手解决的问题之一。

事实上，NASA的核动力运载火箭项目，之所以在上世纪70年代半途而废，一方面是由于研发经费过高，另外一方面就是出于公众对于这类研究安全性的担心。具体来说，美国在1970年代实施了一系列严格的法规，几乎所有与核动力相关的太空项目，都需要经过政府机构的重重审查。这也间接导致了美国的核动力运载火箭在上世纪研发的中断。

不过这种严格的审查制度到2019年的8月发生了新变化。在2019年8月，美国政府发布了总统备忘录，极大地简化了过去的流程，允许使用少量核材料的航天工程跳过原有的大量的审批程序，只需要提供符合要求的安全性证明就可以。在此之后，美国国家航天局和国防部高等研究计划局都分别重新启动了核动力运载火箭的研究项目。

这也就是今天我们所看到的天龙星座研究项目的背景。

那为什么美国愿意在今天放松核动力火箭的技术监管呢？那就要说到核动力火箭最突出的优势了，就是我们在最开头提到的——快。

根据NASA的估计，核动力运载火箭技术，可以把地月飞行，以及地球到火星飞行的时间，分别压缩到三四天和三四个月的长度，这比传统的化学火箭要快了一倍。

而且你可不要小看节约出来的这点时间，这种快速航行能力的意义是非常巨大的。我们做一个粗糙的类比：三个月的时间从地球到达火星，其实跟15世纪的哥伦布从欧洲到达美洲的时间是差不多的。今天我们隔空相望的火星，其实在某种意义上很像是当年在欧洲人眼中神秘的东方大陆一样。熟悉历史的同学应该很清楚，历史上哥伦布在登陆美洲之后，给欧洲带来了多么巨大的财富。

也可能正因为这种历史记忆，距离地理大发现500多年之后的今天，很多人都开始认为一个目标指向火星“新大航海时代”可能正在慢慢出现在人类的视野中。太空资源开发潜在的收益，不仅会让率先登陆火星的国家获得巨大的战略优势，更有可能让今天很多世界上已存在的问题迎刃而解。

在这个意义上，可以说未来几十年里，如果谁能拥有核动力的运载火箭技术，就如同在15世纪拥有了一艘驶向美洲的帆船。

不过，尽管核动力太空航行的前景非常诱人，但是我们还是要看到今天火箭的核动力系统依然还是很不成熟的。目前高等研究计划局的“天龙星座”项目，也是仅仅停留在早期技术验证阶段。距离最终走向实用化，可能至少得需要5-10年的时间。

但是，我依然在本月为你强烈推荐这项进展。因为这个研发项目的启动再一次提醒我们，一个前所未有的航天时代可能正在慢慢地向我们靠近，我也会为你持续留意这方面的新进展。

2. 瑞士洛桑联邦理工学院在芯片内部集成液体冷却技术

我为你推荐的第二项硬科技进展来自芯片领域。

今天随着芯片技术的进步，我们身边的各种电子产品都在变得越来越轻薄。但是有一个问题却一直很让我们头疼，那就是手机电脑在长时间高速运行后，往往会变得很烫；甚至因为发热过度，会出现死机的现象。 上个月发表的这项研究，就很可能在未来解决我们的手机电脑发热的问题。

9月9号，《自然》杂志发表了瑞士洛桑联邦理工学院的科研人员开发的一种集成到芯片内部的液体冷却系统。这种冷却技术在芯片内部制造出了一套复杂的微型管道，让细微的水流穿过正在工作的芯片，直接在芯片发热的源头把热量带走。

研究人员在这篇论文里表示，这套液体冷却系统的散热能力可以达到惊人的1700瓦每平方厘米。这是什么概念呢？——火箭发动机喷嘴发热功率大概是1千瓦每平方厘米。夸张一点说，这篇论文中的技术如果未来成熟，不要说正常的芯片的发热，就是直接往芯片上喷火，这个热量大概也能散掉。是不是还挺厉害的？

不过听到这里，我想很多同学可能会有个疑问：不就是芯片散热嘛，感觉也不是太严重的问题。科学家们为什么要这么大费周章，研究结果还能发表到了顶级科学期刊上呢？

诶，这里我可就要着重强调一下了。这个芯片散热的问题，可不是什么无足轻重的小问题，而是当前芯片技术所面临的最亟待解决的技术难题之一。今天芯片的发热问题，不仅极大地制约了芯片性能的进一步提高，而且还给很多高科技企业带来了巨大的运营成本。

事实上，今天芯片的发热问题正在让整个市场付出每年上百亿美元的成本。

我们拿数据中心来举例。我们知道，一座大型的数据中心是需要投资上百亿人民币，采购数以万计的各类芯片，建设而成的高科技基础设施。但不知道你有没有注意过，技术含量如此之高的云计算中心，却往往建设在相对偏僻的“深山老林”里面。

比如我们国家的很多大数据中心，就建设在像是云贵山区、四川的水电站旁边等等类似的地方。美国的微软公司，甚至在2018年直接把一个数据中心建设在了海底。

那为什么数据中心要如此大费周章地选择建设在这些地方呢？建设在交通便利、经济发达的城市地区难道不好吗？——诶，这背后的主要原因，还是来自于芯片的发热和散热问题。

事实上，由于数据中心在运行的时候会伴随着大量芯片的发热，所以如何用尽量低的成本，给数据中心里的大量芯片散热，已经成为决定数据中心建设方案的核心考虑因素之一。这点我们通过几个数据就能看出来：

今天在一座数据中心的建设成本中，有大概1/5的成本是用来购买空调设备的；而在建设完成之后的运营成本中，整个数据中心的运营费用的40%，都是花在空调制冷的电费上了。这还是在今天的数据中心通常都选择气候凉爽、电费便宜区域的基础上，所呈现出的结果。

根据预测，我国数据中心的用电量在未来全社会用电总量中的占比，将会超过3%，而这里面的一大部分，都是用来供给空调散热使用的。可以想象，芯片的散热问题，在今天已经有了多么举足轻重的地位。

说到这里你可能就会问了，那为什么给芯片散热就这么困难呢？——这就要说到现在通行散热方法的缺点了。简单来说，今天市面上常见的芯片散热方式，本质上都是在隔靴搔痒。

我们知道，在你电脑里的芯片，可并不是一个裸露的硅晶圆，而是经过了层层的外部封装之后组成的一个微小系统。我们拿英特尔公司的产品来举例，他们的桌面处理器芯片，大小差不多是10平方厘米，厚度大概是2-3毫米。但是其中真正工作和发热的核心，也就是硅晶圆部分，面积大概是几十平方毫米，厚度只有零点几毫米。也就是说，在工作时候真正发热的硅晶圆部分，已经是被芯片的封装外壳，包裹得严严实实的。

而我们现在是怎么给它散热的呢？现在，我们通常是把一块金属散热片贴在芯片的外壳上，然后用液体流通，或者风扇吹气的方式，给这块散热片降温，从而间接地降低芯片内部的温度。打个比方，这就像是你在健身房里面运动发热，空调却对着整个大楼的外立面吹风一样，散热的效率可想而知是很低的。

那有什么办法能够改进现在这种“隔靴搔痒”式的散热方式吗？

这就要说到，洛桑联邦理工学院的这项研究了。这项研究采用了所谓微流体芯片的技术，直接把散热的渠道设计到了芯片里面。具体来说，就是在芯片的衬底层，通过精细的工艺，加工出了一套复杂而精密的管道系统（这个管道的直径只有微米量级）。

芯片在工作的同时，它下面的管道层里面会持续有细微的水流进出，通过这种方式在芯片发热的源头，把热量带走。这就像是在芯片内部设计了一套用来散热的毛细血管系统，彻底解决了以往给芯片散热“隔靴搔痒”的问题。

在这篇论文里，研究人员就是用这种技术成功地将一块GaN功率芯片（手机充电器里比较常见）的温度变化控制在了60℃以内。而如果没有这套散热系统，这块芯片很可能会变成一块“电烙铁”。

研究人员表示，这种散热方式如果未来能够成熟地进入产品，可以让很多现在的电子设备摆脱大型的散热装置；像是电脑手机这样的个人电子设备可以变得更加轻薄，甚至云计算中心里面的用于散热的电费，可以降到今天的1%，可以为全世界节约上百亿美元的用电成本。

值得一提的是，芯片微流体水冷技术目前世界上不止这一家瑞士的实验室在开发。美国还有我国的很多致力于解决芯片散热问题的实验室，也都在近几年发表过这个技术的相关研究成果。只不过呢，9月份发表的这篇论文，是近年来性能最好的文章之一。因此，我把它在本月推荐给你。

关于芯片散热技术的研究，我认为再一次提醒了我们，芯片作为一个复杂系统，要想实现跨越式的发展，除了正面追赶之外，在某些关键短板处的技术提升，也很可能就会给整个产业带来意想不到的技术突破。

本月的《硬科技报告》就到这里，我们下一期再见！

好，《硬科技报告》听完了，我是邵恒。你发现没有，今天报告分享的这两个进展，恰好涉及了推动这个世界科技进展的两个要素，能量和信息。就像吴军老师在他的《科技史纲》课程里讲到的那样，当我们能用新的或者更高效的方式使用能量和信息的时候，带来的结果也许不仅仅是科技进步，还可能开启一个更先进的文明。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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