制造一把光剑需要什么样的电池

当你想到经典电影《星球大战》时，你首先想到的是什么？当然是光剑！我相信很多人都喜欢光剑。我们通常可以很容易地购买模仿光剑模型或玩具。有些地方甚至开设了光剑训练班。但是制造一把真正可用的光剑需要什么条件呢？

本文将重点关注光剑的能量需求。它需要多少能量？什么样的电池能满足它的能量需求？（至于如何制造一把能切割东西的光剑。 我们暂时不讨论这个。)

为估计上述需求，请参考《星球大战前传》 I：《幽灵的威胁》中的一个场景：由连姆・尼森（Liam Neeson）饰演的奎刚・金（Qui-Gon Jinn）在星际贸易飞船上用光剑切开一扇厚重的金属门。这个简单的场景涉及到很多物理知识，让我们开始分析。

在星球大战中 IV》中，达斯・维达（Darth Vader）有句台词：“与原力相比，摧毁一颗星球所需的力量简直微不足道。“我们需要注意的是，他在这里指的是力量（power）实际上是军事力量（military power），而不是物理学中的功率（power），而他所说的原力（Force）物理学中的力量（force）其实也不是一回事。在物理学中，功率有一个明确的定义：它是能量使用或传递的速率。

我们可以用单位能量间隔()和单位时间间隔()来表示。能量以焦耳为单位，时间以秒为单位，相应功率的单位是瓦特。

假设你从地上捡起一本书，把它放在桌子上，让读者对能量和功率的大小有一个更清晰的概念。克服重力工作需要大约需要 10 焦耳的能量。无论你完成这个动作需要多长时间，所需的能量都是一样的，但功率会有所不同。如果你用 10 如果你在几秒钟内提到书，功率就是 1 瓷砖；如果你只使用它 1 如果你在几秒钟内提到书，功率就是 10 瓦。很容易理解，能量是一样的，但是功率是不同的。

有了上述定义，我们只需要找到一个能够在特定时间内估计能量变化的事件，就可以估计光剑消耗的功率。此时，我们在开始时提到的事件 —— 奎刚用光剑切开金属门就可以派上用场了。

为了更好地了解金属门切割过程中的能量变化，我们还介绍了热能和相变的概念。在日常生活中，如果你想加热一杯咖啡，你需要为它提供能量，我们称之为热能。物体（如咖啡）的热变化取决于物体的质量（ ）、温度变化()和材料的“比热容”（ ）。

为了让读者更好地了解热能变化的大小，让我们在这里举个例子。如果你有的话 300 克咖啡(基本上可以看作是水)，从 25 摄氏度加热到 100 大约需要摄氏度 9,4000 焦耳的能量相当于你提到那本书 9400 第二！现在我们应该更加尊重家里的咖啡机，对吧？

然而，仅仅增加热能并不意味着金属门融化的整个过程。它还涉及材料的相变，即从固体到液体的过程。相变所需的能量取决于物体的质量（）和我们称之为“熔融潜热”（）的属性。

以生活中最常见的相变为例，需要将一公斤冰融化成水 3.34×10⁵焦耳的能量，所以融化一个 50 需要克的冰块 1,6700 焦耳的能量表明融化对象需要大量的能量。如果我们想融化一扇金属门，我们必须先将其加热到熔点，然后将其相变融化。这个过程所需的总能量取决于金属的质量和类型。

我们终于完成了以上所有的准备工作，现在我们开始估计切割金属门时间剑输出的功率。首先，我们需要猜测星际飞船门的材料。根据现代科学，建造一艘巨大的飞船来运输战斗机器人最有可能的材料是铝，因为它在重量和强度之间有很好的平衡。

幸运的是，我们非常了解铝的性质。其密度为每立方米 2700 千克，熔点为 660 摄氏度，比热容为 900 焦耳每公斤每摄氏度，熔化潜热为每公斤 3.96×10⁵焦耳。(虽然这些数字看起来很多，但别担心，我们只需要在计算时将它们输入计算机。)

那么，融化的金属质量是多少呢？这是一个值得思考的问题。在奎刚的第一次切割中，他的部分被切割了 2 米长，虽然切割宽度不确定，但我们可以暂时假设 1 厘米，门的厚度大约是 5 厘米。由于他一次穿过整扇门，我们可以估计融化金属的总质量约为 2.7 千克。

现在，我们可以计算融化铝所需的总能量，包括将金属温度升高到熔点所需的能量以及融化铝所需的能量。（如果您想尝试其他金属，只需将上述数字替换为与材料相对应的参数即可。）根据估计结果，融化这些金属大约需要 260 万焦耳的能量！很明显，融化金属并不容易。

最后一步是计算功率。我们只需要确定融化这些金属所需的时间。通过视频分析软件，作者得出切割时间为 11.5 秒。这样，光剑的功率输出就是 2.28×10⁵瓦，相当于 305 马力！这也相当于一辆高功率汽车在你手中运行！

也许光剑没有电池。在电影世界如此发达的技术背景下，它可能直接从某个维度获得能量。谁知道呢？毕竟，光剑不是真的（没关系）。但如果它真的有电池，会是什么样子呢？什么样的电池能使光剑正常工作？

上面估计了光剑的输出功率。现在我们可以根据功率计算其内部存储的总能量，只需要知道它能再次充电多久。在《星球大战》电影中，光剑从未突然断电，也从未需要插电式充电。所以我们可以合理地猜测，光剑的电池寿命应该很长。

假设光剑可以一次性运行 10 小时(这个估计已经很保守了)。然后，光剑的功率是 2.28×10⁵运行时，瓦特 10 小时所需的总能量是 8.2×10⁹焦耳！这相当于提起那本书！ 8.2 亿次！

我们能像手机电池一样储存这么多能量吗？这些锂离子电池的能量密度是每立方米 2.5×10⁹焦耳，如果用来储存光剑的能量，根据我们之前的计算，锂离子电池的体积需要达到 3.3 立方米！换句话说，电池的尺寸可能就像一个 4 米长、直径 1 米柱，就像挥舞着树干或电线杆在战斗。

也许我们以前在估计电池的运行时间方面犯了错误，但我们可以根据电影中光剑的大小来估计相应大小的锂离子电池能支持光剑运行多久。假设光剑的手柄长度为 13 厘米，直径 6 厘米，那么它的体积大约是 367 立方厘米，只占之前估计的电池体积 0.01%，如果一切都按比例缩小，这样的光剑电池只能一次运行 4 秒。在这种情况下，谁的电池在战斗中更耐用，谁就赢了。

显然，锂离子电池不适合光剑。为了达到光剑的理想运行时间，我们需要每立方米的能量密度 2.23×10¹³ 焦耳(或每升) 2.23×10⁴兆焦耳）电池。根据现有的能量密度材料表，唯一可行的解决方案是某种核电池或反物质电池。作者对反物质电池没有意见。虽然它很复杂，但它非常酷。

以上从基本物理的角度详细讨论了制造光剑所需的电池技术。虽然在目前的技术水平上，制造和大规模生产这种光剑是非常困难的，但除了电池问题外，还需要解决许多其他技术问题。但作者坚信，随着科学家们的不懈努力，我们将能够在未来成功地制造光剑。最后，让我们用《星球大战》中的经典句子来结束：“愿原力和你在一起！”

作者：Rhett Allain

翻译：凉渐

审校：7 号机

原文链接：What Kind of Battery Would You Need to Power a Lightsaber?

本文来源于微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：Rhett Allain

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