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特斯拉的獨特氣質、星際殖民和碳化矽革命


特斯拉的獨特氣質、星際殖民和碳化矽革命 1

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  文/金捷幡

  來源:金捷幡(ID:jin-jiefan)

  在看了好幾遍《星際穿越》之後,就特別想買特斯拉股票。

  一直不敢吹特斯拉,因為它獨特的氣質並行於人類有史以來最偉大的工程項目。很多人聽到這個要么說你傻X,要么說你吹牛X,最好的情況是說你居然相信老謀深算的騙子編故事。

  中國的電動汽車產銷量早就高居世界第一,電車是個什麼鬼東西早就被勤勞勇敢的人民揭了個底兒掉。你特斯拉不過也是穿著西服馬甲的一堆電池加一個馬達而已麼。

  扭轉這一印像是很難的,尤其群眾看到特斯拉的高價格配上簡陋的內飾和較低的裝配質量。

  接下來,我們重新梳理一下這個你也許聽過的故事碎片。

  一、清晰的目標

  在最近二十年,伊隆·馬斯克的人生目的已經逐漸變得清晰無比:使人類具有在其它行星生存的能力(Making life multiplanetary)。

  注意,是移民其它星球,而不是像登月那樣淺嚐即止。

  為什麼呢?

站在人類的立場上,和《星際穿越》裡作物滅絕的假設類似,在面臨毀滅時(比如小行星或大瘟疫等各種意外來襲),逃到其它星球的能力最好還是提前準備好。

  站在個人的立場上,錢對馬斯克這樣的人已經意義不大,做一番驚天動地的事業才是畢生追求。他自己說:沒有什麼比得上漫步太空和群星共舞 ( I can't think of anything more exciting than going out there and being among the stars)。

  在十七、八年前,馬斯克聽說送宇航員上火星一趟需要至少5000億美元。顯然沒人有這麼多錢,除了美國政府。

  馬斯克決定自己花錢發幾盆植物去火星拍幾張照片。他希望用給火星帶來生命的形式,像60年代登月那樣重新點燃美國人的激情,來重啟輝煌的載人太空計劃。

  馬斯克去了三次俄羅斯,試圖花幾千萬美元購買俄國人的洲際導彈,作為送這些植物的載體。各種不順利的過程讓他意識到,登火星和火箭的成本高昂,並不在於國家願不願意出錢,而在於當時的太空技術太陳舊也太貴了。

  因此,馬斯克在2002年創建了SpaceX,研發自己的火箭技術。這時特斯拉還未成立。

  經歷了十七年各種失敗和瀕臨破產,今天的SpaceX在運載能力和成本上已經傲視群雄。

  二、星際飛行

  一般人到這裡就功成名就了,但馬斯克的目標只完成了前一半:火箭的重複使用和大推力的實現方法。

  規劃中的更大推力火箭(BFR)現在叫Super Heavy,用來搭載百名乘客的叫星際飛船(Starship)。在馬斯克看來,只搭載幾名航天員太不經濟了。

  我能看出來,馬斯克最珍愛的公司是SpaceX,而不是特斯拉。特斯拉雖然也雄心勃勃,但和太空夢想沒法比。他即使很缺錢的時候,也沒有讓SpaceX上市。因為馬斯克並不想讓SpaceX被股市綁架,從而沉迷於商業衛星發射賺錢。

  在各國火箭今天還不肯放棄幾十年前的古老發動機時,SpaceX已經開始設計用新一代猛龍發動機替代戰功卓著的梅林發動機。

  Super Heavy+Starship+Raptor Engine:馬斯克征服火星的藍圖終於齊備了。

(星際飛船, Photo: SpaceX)(星際飛船, Photo: SpaceX)

  但是複制一千套的錢還不夠,技術也還不成熟,怎麼辦?先拿地球人練練手。

  既然火星都能去,先組織月球7天旅遊團吧,順便賺些錢。

  更妙的是,這套飛船從紐約起飛到上海降落當然也是可以的。旅途只要半個小時。

  據測算,燃料加發射等成本應該不到2百萬美元,搭載100名乘客每人2萬美元,比私人飛機便宜多了。馬斯克認為到時候成本將比飛機頭等艙要便宜。

  月球旅行和跨洋飛船這些,馬斯克許諾我們應該能在10年內看到,因為他要在自己有生之年看到火星殖民的開始。

  三、改造火星

  很多人說,登陸火星我信,你說讓百萬人在火星上居住打死我也不信。這個確實是最受爭議的一點。

  有意思的是,人類如何在火星上持續生存和繁衍,很多細節都被認真規劃過了。比如火星上充滿了二氧化碳,適合植物生長,而植物又可以產生氧氣。

  地球上的氧氣,據說就是藻類和各種植物產生的,在火星上再玩一遍,似乎也不是不可能。事實上,很多證據顯示,火星上曾經產生過生物。

(改造火星, Photo: SpaceX)(改造火星, Photo: SpaceX)

  火星兩極有足夠的冰,融化了甚至能形成海洋。碳氫氧三種元素可以組合成各種東西,比如做燃料的甲烷。馬斯克說這是SpaceX BFR選甲烷做火箭燃料的原因,因為需要返回地球。這個大“騙子”真是天衣無縫。

  有人說,星際移民死亡率肯定很高,很顯然是這樣的。

  早期從歐洲移民美洲的人裡面,死亡率也是超高的:比如五月花號上的人,一年死掉一半。澳洲的早期移民,也都是社會底層和囚犯。

  那時的人,絕對也不會想到今天的美洲和澳洲是什麼樣。 150年前的清朝人,也絕不會想到我們現在有飛機和電腦。

  人類在火星上,能源從哪裡來,顯然是個首要問題。在地球上,其實幾乎所有的人類能源來自於太陽(核能和地熱除外)。

  億萬年前的生物吸收了太陽能,變成我們今天的煤和石油。現在的食物,也是通過草食或肉食直接或間接把太陽能吃進我們肚子。理論上有太陽和水,生物就能生存。

  只是在火星上,沒有化石燃料供我們使用。太陽能發電則是最直觀的選擇。

  所以,特斯拉和它的太陽能子公司SolarCity就聯繫起來了。

  四、零排放

  火星上的衛星互聯網(Starlink)、軌道交通(Hyperloop/Boring)和電動汽車(Tesla)都已經規劃了,只是這些實驗要先在地球上做。

  特斯拉給我們畫出的藍圖大概是這樣的:未來二、三十年內,人類的能源將主要來自可再生能源。

  亞馬遜的貝索斯也承諾,2040年亞馬遜將做到零碳排放。他說,“如果年發貨量100億件的亞馬遜可以做到,任何公司都可以。”

  也就是說,不再燒煤和燒油來發電,也不再開內燃機汽車。不管你信不信,這樣起碼沒有霧霾了,空氣會很棒。

  為了達到這一點,電動車要達到和燃油車一樣的動力和價格。

  顯然從材料成本上來看,在產量足夠大的情況下,電動車一定更便宜。電動車大扭矩的特點在動力上本來就可以秒殺燃油車。

  電動車的弱點只剩下續航能力和充電站網絡,所以特斯拉把所有的尖端科技都投入在這個上面了。這就是特斯拉和其它各種電車的重大區別,因為只有特斯拉一家身上背負著沉重而宏大的使命。

  很多燃油車企做電車,要么沉浸在賺取政府補貼中,要么沉浸在用燃油車平台改造電動車中。

  確實消費者也不懂,和他們有什麼關係呢?

  五、特斯拉的技術領先在哪兒?

  評價特斯拉在汽車設計上的追求,“登峰造極”四個字首先冒了出來。

  特斯拉目前驅動單元的設計壽命是160萬公里,而且不需要維護。

  原本電動車在動力上已經佔據優勢,但是馬斯克仍不滿足。所以我們今天看到特斯拉的風阻係數在所有量產車裡是最低的,甚至低到傳統車廠​​不能理解的程度。

  前幾天發布的Cyber​​truck皮卡外形詭異被廣為嘲笑,原因也很簡單,這個大皮卡的風阻甚至低於多數燃油轎車。

  特斯拉的電池製造和電池管理技術都非常領先,不過這不是本文的重點所以就不展開了。

  特斯拉掀起的巨大革命是所謂“軟件定義汽車”,這個討論眾多我也不展開了。軟件包括OTA和輔助駕駛也是車主們對特斯拉的口碑如此好的最主要原因。

  特斯拉即將啟用的第三代硬件採用獨家設計的全自動駕駛芯片,視頻處理速度超過每秒兩千幀,將真正有能力處理360度的8個攝像頭和12個超聲波傳感器的實時狀況。這也使馬斯克有底氣拒絕昂貴的激光雷達。

(實時跟踪多目標的自動駕駛, Photo: Tesla)(實時跟踪多目標的自動駕駛, Photo: Tesla)

  值得強調的是,起源矽谷的特斯拉和SpaceX在軟件技術也是頂尖的。而傳統車廠完全沒有這個基因,所以追趕並不是一兩年就能搞定的事情。

  特斯拉的電機也是重要核心部件。在從追求性能的感應電機轉到追求平衡的永磁電機後,特斯拉完成了類似SpaceX的規劃:就是一款電機通用所有車型,需要大動力就用雙電機或三電機。

  同樣這款電機的出生花了十多年的時間積累,特斯拉利用先進的軟件仿真和計算機集群來設計這款電機,最終結果是其能源效率高達嚇人的97%。

  即使這樣,還是不滿足特斯拉追求卓越的腳步。電動汽車還有一大損耗來自變壓和變頻:電池到電機的DC-AC、充電的AC-DC和內部用電器的DC-DC轉換。在高壓部分,使用矽基IGBT是通常解決方案。

  特斯拉為了追求行駛里程僅5%的提升,不惜貴幾倍的代價在業界率先全面採用碳化矽(SiC)替代IGBT。在最熱門的化合物半導體中,氮化鎵(GaN) 適用於計算機和通訊等低功率高頻率應用,而碳化矽適用於高功率領域。雖然節能效果明顯,但是由於成本問題一直未被廣泛應用。

  碳化矽是氣相結晶,生產效率和均勻性遠低於矽晶圓。其超高硬度和脆性導致切割損耗也成為巨大的問題:因此我們看到水刀和激光冷裂等各種先進技術不斷被引用嘗試。

  由於特斯拉的引導效應,碳化矽作為功率器件在地球上的普及可能被提速了一倍。這不僅對電車產業,也對其它行業的節能產生了巨大而積極的推動作用。

  特斯拉在所謂三電包括電池、電機、電腦硬件軟件和甚至傳動等各個關鍵領域已經無一短板,加上充電站,每項都領先對手1~N年。

  六、激動人心

  特斯拉缺的只有錢,如果沒有花不完的錢,就只能一步一步擴充產能。

  寫這篇小文只是用微薄之力再普及一下這個了不起的夢想。上海能夠在汽車市場飽和的情況下,勇敢接納特斯拉建成第三個超級工廠,這非常有遠見。

  想想人類未來也許真的能夠把紅色的火星變成藍色的另一個宜居行星,那絕對是比電影還科幻了:雖然沒有像《星際穿越》裡穿越蟲洞那麼神奇,但更加波瀾壯闊。

  如同500年前顛覆世界的大航海,我們很有幸生活在現在的時代,有機會再一次看到偉大的人類駛入星辰大海。

    (殖民火星, Photo: SpaceX) (殖民火星, Photo: SpaceX)
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