地球之所以能够像现在这样充满生机，最重要的原因就是，有太阳这个“大火球”在不断地向地球输送光和热。这也就意味着，假如有一天太阳停止燃烧，那么地球将很快转变成一颗死寂的冰冻星球，但好消息是，我们不必为此担心，因为太阳能燃烧100亿年。
虽然太阳已经燃烧了大约50亿年，但留给我们的时间还有很多，所以我们完全可以花一点时间来了解一下有关太阳的知识，首先来看看太阳的燃料是什么。
太阳的燃料就是宇宙中最简单，也是最多的元素——氢，在太阳的内部，氢原子核不断地发生核聚变反应，同时因为损失质量而释放出能量，而太阳的光和热就是来自于此。
观测数据显示，太阳主要由氢和氦这两种元素构成，而其中氢就占了太阳质量的71%左右，也就是说，太阳其实就是一大堆燃料聚积而成，按照一般的思路来讲，这么多燃料堆在一起，应该很快就烧完才对，但很显然，这种事情并没有发生。
所以问题就来了，为何太阳能燃烧100亿年，而不会瞬间燃尽？对于这个问题，假如太阳能说话，它一定会对你说：你知道我的核聚变有多难吗？
通常我们都会认为，太阳的核聚变就是4个氢原子核“Duang”的一下就聚变成一个氦原子核，但实际情况却要复杂一些。
氢原子核其实就是质子，它们在太阳核心的反应过程是这样的：首先是两个质子结合在一起，然后形成氘（氘是氢的同位素，其原子核内包含一个质子和一个中子），接下来氘原子核又与另一个单独的氢原子核结合，然后形成氦-3（氦-3是氦的同位素，其原子核内包含两个质子和一个中子），最后才是两个氦-3原子核聚变成氦，同时释放出两个质子。
这一系列的核聚变反应被称为“质子-质子链反应”，需要注意的是，在其中最难的是第一步。
由于质子都带正电，因此在两个质子之间就存在着库伦斥力，而在第一步里，并没有中子存在，这无疑使得两个质子的结合更是难上加难。但这并不是没办法解决，正所谓“天下武功，唯快不破”，只要速度够了，质子间的库伦斥力也就不是问题了。
由于温度就是指微观粒子热运动的剧烈程度，因此我们可以认为，只有温度够了，两个质子就可以撞在一起。尴尬的是，理论上来讲这个温度应该是上亿摄氏度，而太阳核心的温度却只有1500万摄氏度，远远达不到这个标准。
由此可见，从理论上来讲，太阳核心是不可能发生核聚变的，但我们都知道事实并非如此，这是怎么回事呢？其实这个问题在过去困扰了科学家们很长一段时间，直到他们发现了微观世界里的“穿墙术”——“量子隧穿”。
简单地讲，“量子隧穿”允许质子在能量不足的情况下，直接穿过由库伦斥力形成的屏障，然后撞在一起，这就帮助太阳解决了温度不足的难题，美中不足的是，发生“量子隧穿”的概率非常低。
但这还没完，当两个质子撞在一起之后，就形成了双质子（氦-2原子核），在这种情况下，其中的一个必须要在很短的时间内发生β衰变，从质子转变成中子，这样才能形成氘原子核，否则的话，双质子很快就会衰变成两个单独的质子。
科学家曾经利用粒子加速器做过质子碰撞的实验，实验结果表明，两个撞在一起的质子，有超过99.99的概率在1纳秒之内衰变成两个单独的质子。这就意味着，在太阳的内部，就算是两个质子通过概率极低的“量子隧穿”成功地撞在一起，它们也只有不超过10万分之一的概率会形成氘原子核。
本来发生“量子隧穿”的概率就已经很低了，再加上这一出，我们完全可以想象这一定会非常困难，具体有多难呢？科学家推测，在太阳核心，一个质子撞上另一个质子，然后再成功地形成一个氘原子核，通常需要数十亿年的时间。
由此可见太阳的核聚变有多难，但这也难不倒太阳，因为太阳实在是太大了。这就好比我们玩掷骰子，尽管掷出“三个一”的概率很小，但只要我们掷的次数够多，就肯定会掷出很多个“三个一”。
同样的道理，由于太阳拥有的质子数量超级庞大，因此即使概率非常低，在太阳核心仍然会不停地发生“两个质子聚变成氘原子核”这种事情。只不过由于概率极低，这些发生反应的物质总量相对于太阳而言微乎其微。
对于太阳来说，只要完成了“质子-质子链反应”的第一步，接下来的步骤就相对要简单得多了。由此我们也可以知道，由于极低概率的限制，太阳核心总是只有极少的燃料在发生核聚变反应，而这也是“为什么太阳能燃烧100亿年，而不会瞬间燃尽？”这个问题的答案。
值得一提的是，在浩瀚的宇宙中，太阳并不是一个另类，事实上，在宇宙中所有恒星的内部，都有与太阳一样的机制，而这也是它们能够长时间在夜空中闪耀的原因。
人工光合作用：新设备推动了太阳能燃料的商业可行性
新型燃料生产技术是太阳能燃料。在阳光的照射下，名为“光阳极”的催化剂材料将水分子中的氢和氧进行分离，生成氢气和氧气。这一重大研究突破将可能助推太阳能燃料的大规模生产。已经拥有相当高效的太阳能电池了，可以直接把太阳能转化为电力。为什么科学家们还在研究把太阳能转化为燃料的技术纵使太阳能电池的效率再高，人类也离不开燃料。
新型燃料的优势
运输新能源燃料是以甲醇为根底新开发的一种环保生物燃料，在常温常压下是液体，不管司贮存运输还是运用，都不需要压力钢瓶存储，只用普通金属或塑料容器就可以存储，是一种理想的环保燃料。绿色环保清洁卫生新能源燃料含氧量高。
焚烧充沛，不会冒黑烟、不会产生积碳、不会熏黑锅底、没有残液残渣的剩余，焚烧后的废气排放要比石油液化气低80%左右，是名副其实的清洁燃料。
太阳能燃料是一次能源吗？
美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个研究小组已经开发出一种新的人工光合作用设备组件，它具有显著的稳定性和寿命 ，因为它可以选择性地将阳光和二氧化碳转化为两种有前景的可再生燃料来源--乙烯和氢气。
研究人员最近在《自然-能源》杂志上报告了他们的研究结果，揭示了该装置是如何随着使用而退化的，然后展示了如何缓解这种退化。作者还对电子和被称为“空穴”的电荷载体如何促成人工光合作用的退化提供了新的见解。
高级作者Francesca Toma说：“通过了解材料和设备在运行中如何转变，我们可以设计出更耐用的方法，从而减少浪费，”他是液体阳光联盟（LiSA）伯克利实验室化学科学部的一名职员科学家。
在目前的研究中，Toma和她的团队设计了一个被称为光电化学（PEC）电池的模型太阳能燃料装置，该电池由氧化铜或氧化亚铜制成，是一种有前景的人工光合作用材料。
氧化亚铜长期以来一直困扰着科学家，因为这种材料的优点--对光的高反应性--也是它的弱点，因为光会使这种材料在曝光的短短几分钟内就会分解。但是，尽管它不稳定，氧化亚铜是人工光合作用的最佳候选材料之一，因为它的价格相对低廉，并且具有吸收可见光的合适特性。
为了更好地了解如何优化这种有前景的材料的工作条件，Toma和她的团队仔细观察了氧化亚铜使用前后的晶体结构。
分子铸造厂的电子显微镜实验证实，氧化亚铜在暴露于光和水的几分钟内就会迅速氧化或被腐蚀。在人工光合作用研究中，研究人员通常使用水作为电解质，将二氧化碳还原成可再生化学品或燃料，如乙烯和氢气--但水含有氢氧根离子，导致不稳定。
但是通过另一项实验，这次是使用高级光源的一种叫做环境压力X射线光电子能谱（APXPS）的技术，研究人员发现了一个意想不到的线索：氧化亚铜在含有氢氧根离子的水中腐蚀得更快，氢氧根离子是由一个氧原子与一个氢原子结合而成的带负电的离子。
“我们知道它是不稳定的--但是我们惊讶地发现它到底有多不稳定，”Toma说。“当我们开始这项研究时，我们想，也许一个更好的太阳能燃料装置的关键不在于材料本身，而在于反应的整体环境，包括电解液。”
“这表明，氢氧化物有助于腐蚀。另一方面，我们推断，如果你消除了腐蚀源，你就消除了腐蚀，”第一作者、伯克利实验室化学科学部的LiSA项目科学家Guiji Liu解释说。
揭开腐蚀的意外线索
在电子设备中，电子-空穴对分离成电子和空穴以产生电荷。但是一旦分离，如果电子和空穴不用于发电，例如在将太阳光转化为电能的光伏设备中，或在人工光合作用设备中进行反应，它们就会与材料发生反应并使其退化。
在人工光合作用中，如果控制不当，这种重组会腐蚀氧化亚铜。科学家们长期以来一直认为电子是造成氧化亚铜腐蚀的唯一原因。但令研究人员惊讶的是，在美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行的计算机模拟显示，空穴也起到了一定作用。研究人员说：“在我们的研究之前，大多数人认为光诱导的氧化亚铜降解主要是由电子引起的，而不是空穴。”
模拟结果还暗示了一个解决氧化亚铜固有不稳定性的潜在办法：在氧化亚铜PEC上面涂上银，下面是金/铁的氧化物。这种 “Z方案”的灵感来自于自然光合作用中发生的电子转移，它应该创造一个 “漏斗”，将孔从氧化亚铜送到金/铁氧化物的“水槽”。Toma解释说，此外，界面上材料的多样性应该通过提供额外的电子与氧化亚铜的空穴重新结合来稳定系统。
为了验证他们的模拟结果，研究人员在伯克利实验室Toma的LiSA实验室设计了一个Z-scheme人工光合作用装置的物理模型。令他们高兴的是，该装置以前所未有的选择性生产乙烯和氢气--而且持续时间超过24小时。"这是一个令人激动的结果，"托马说。
"我们希望我们的工作能鼓励人们在人工光合作用装置中设计出适应半导体材料固有特性的策略。
研究人员计划继续他们的工作，通过使用他们的新方法开发新的太阳能燃料装置，用于生产液体燃料。Toma总结说：“了解材料在人工光合作用装置中运作时如何转变，可以实现预防性修复和延长活动时间。”
为什么太阳能够燃烧50亿年而不灭？它使用的究竟是什么燃料？
太阳能属于一次能源。
一次能源，primary energy，是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源，又称天然能源，包括化石燃料、核燃料、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。一次能源分为可再生能源和不可再生能源，前者指能够重复产生的天然能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等；后者则不能够重复产生，主要是各类化石燃料、核燃料。
天文学家
阿尔伯特·爱因斯坦
万物的生存离不开能量，不管是植物还是动物还是其它的简单生命，它们的生存都需要能量来支撑。地球是一颗物种丰富的生命世界，除了智慧生命人类之外，还有数百万种以上的各种物种。
那么地球生命所需要的能量是如何来的？除了一少部分是地球内部的能量之外，大部分还是来自于我们头上的那个太阳。对于古时候的人们来说，太阳到底是什么并不清楚，在古人的眼里，太阳是神圣的，是无人伟大的存在，于是诞生了很多有关太阳的传说。
进入 科技 时代之后，在 科技 的帮助下，我们开始不断认知地球，认知地球之外的世界。这个时候，我们终于搞明白了太阳是什么？其实太阳并不神秘，它在宇宙中是非常普遍的存在，跟地球一样同样是宇宙的天体，只不过由于它的质量非常大，成为了能够释放出巨大能量的恒星。
太阳的存在才有了太阳系，整个太阳系的能量来源主要是恒星太阳，地球生态系统的形成，生命的诞生，进化演化和生存都离不开太阳的能量。太阳的能量释放其实也是一种燃烧，可是在我们的认知里，燃烧需要氧气，需要燃料，往往都是短暂的能量释放。
可是太阳的燃烧时间却非常漫长，根据科学家的研究发现，太阳形成于50亿年前，燃烧到现在已经有50亿年的时间。按照太阳质量的标准，它还能够继续燃烧约50亿年左右。为什么太阳能够燃烧50亿年而不灭？它使用的究竟是什么燃料。
任何物质的燃烧都需要燃料，一旦燃料没有了，这个燃料过程就会终结，太阳同样也是如此。既然太阳能够燃烧50亿年而不灭，那么它的燃料必然也是与众不同的，事实真的如此吗？
其实太阳燃烧所需要的燃料非常简单普遍，它就是占宇宙大部分元素的氢。我们都知道，宇宙起源于138亿年前的奇点大爆炸，大爆炸之后宇宙诞生了，在此瞬间的能量释放过程中，逐渐形成了质子，中子，电子等基本粒子。
到了宇宙大爆炸之后的38万年，原子结构得以形成。此时，宇宙中绝大多数的元素是氢元素，占比达到75%。剩余的几乎都是氦元素，其他的元素占比极其少，连1%都不到。
即使是现在的宇宙，氢元素和氦元素的占比仍然达到了99%，恒星是宇宙早期诞生的最早一类天体，所以组成恒星的物质主要是氢元素，其次是氦元素。氢氦元素组成的天体在宇宙其实非常普遍，比如太阳系的木星和土星等气态行星，组成它们的元素主要是氢和氦。
恒星与这些气态行星不同之外，就是它们的质量更大，当质量达到一定程度之后，普通的天体就会成为能够燃烧的恒星。而这一切的因素跟引力有着巨大的关系，宇宙的一切都是在引力的作用下形成的。
引力就是宇宙背后真正的操控者，当太阳的质量越来越大，其引力也会越来越大，达到某个临界点的时候，引力不断挤压自身，太阳内核的温度就会越来越高，达到了核聚变反应的温度。于是太阳内核被激活点燃，变成了一个不断运行的可控核反应堆。
事实上，像木星这样的气态巨行星，它们的内核之处也是由氢元素在引力的作用下不断挤压而成的固体氢，只不过其质量无法达到点燃激光内部核聚变的程度，才只能以气态巨行星的身份存在。
核聚变是一种非常特殊的燃烧模式，它应用的是原子层面的化学反应，跟普通的物质燃烧是完全不同的。所以核聚变的燃烧不需要氧气等助燃气体，只需要氢核等燃烧足够，就可以一直燃烧下去。
由于太阳的质量是地球的33万倍，占到了整个太阳系质量的99.86%，所以太阳聚集的氢和氦元素是非常充足的，足够的氢元素才让太阳燃烧了50亿年而不灭，未来还能够继续燃烧50亿年左右。
当然，任何事物都没有无穷无尽，太阳的氢元素虽然非常充足，但是仍然有消耗完的一天，而太阳氢燃料消耗完之后，太阳的寿命也将迎来终结。只不过，氢元素消耗完并不意味着太阳很快就可以熄灭，而是还能够继续燃烧至少数千万年的时间。
太阳内部的核聚变反应是一个比较复杂的过程，核聚变不断消耗氢转换为氦元素，当氢消耗完之后，氢氦聚变就结束了，这个时候核聚变反应并不会停止，而是再以氦元素为燃料继续发生聚变反应，转移为其它的重元素。
而在这个过程中，太阳也将变得不稳定起来，外围物质开始不断膨胀，转变为红巨星。当氦元素聚变结束之后，太阳就会进入最后阶段，外围物质脱离，留下内核演化为白矮星。而太阳外围分离的物质当中，含有大量的重元素，这也是宇宙重元素的来源之一。
由此可见，恒星对于宇宙的演化有多么的重要，它除了是重要的能源天体之外，还是重要的元素演化工厂，可以将氢氦等原始元素，不断演化为各种重元素，丰富宇宙的元素物质。而有了丰富的重元素之后，才会有其它事件演化的可能，比如生命的诞生。
恒星有自己的生命周期，少则数千万年，多则数百亿年。太阳50亿年后的终结也意味着整个太阳系将迎来末日，那个时候地球想要独善其身，除了离开太阳系之外，没有其它出路。留在太阳系，地球的命运只有毁灭，彻底消失在宇宙中。
而想要让地球自由离开太阳系，需要非常强大的 科技 力量才能够做到。好在，太阳留给人类的时间还非常漫长，数十亿的岁月，足够人类发展到高级文明阶段，那个时候人类的脚步可能已经遍布宇宙的各个角落。
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