從太空取能

阿　茂

將太陽(yáng)能電池板放在地球大氣層外的發(fā)電效率相當(dāng)于它在地面平均水平的20倍，人類或許可以利用這種能量來(lái)解決目前的能源問(wèn)題

太空太陽(yáng)能電站的設(shè)想如果真能實(shí)現(xiàn)，那將是太空工程之最——這個(gè)跨越幾千平方公里的太空發(fā)電站將會(huì)是迄今最宏偉的軌道建筑物，矮小的國(guó)際空間站和它比起來(lái)就像是摩天塔腳下的鐵皮小屋。

雖然這個(gè)工程甚是浩大，但這種在太空建造太陽(yáng)能電站的想法卻很簡(jiǎn)單，即：將碩大的太陽(yáng)能電池板吊裝在與地球相對(duì)位置不變的軌道(即同步軌道)上，然后將它們所接受的能量以強(qiáng)烈的激光或微波束形式發(fā)射回地球，然后再將這些能量轉(zhuǎn)換為電能加入電網(wǎng)。

這個(gè)辦法可以降低我們對(duì)石油的依賴，從而減少溫室氣體二氧化碳的釋放。這種波束能無(wú)需借助昂貴的傳輸線路就可以直接給一些偏遠(yuǎn)的地區(qū)送電，甚至可以給戰(zhàn)地士兵提供即時(shí)需要的電力。也許有一天，這種波還可以用來(lái)給新一代的飛船供能，或者幫助我們控制天氣。

人類太空發(fā)電的夢(mèng)想已經(jīng)出現(xiàn)了有幾十年，但是直到現(xiàn)在，它依然被認(rèn)為太過(guò)昂貴而無(wú)法實(shí)施。但是能源的價(jià)格在飆升，燃料供給的安全性已成當(dāng)務(wù)之急。今年5月在麻省理工學(xué)院召開(kāi)的會(huì)議上，科學(xué)家討論了太空太陽(yáng)能是不是一個(gè)值得再提的想法。與此同時(shí)，一個(gè)由五角大樓組織的研究小組已經(jīng)評(píng)估了其軍事上的益處。而在日本，一個(gè)研究太空太陽(yáng)能投資的10年項(xiàng)目已經(jīng)獲得了230萬(wàn)美元的實(shí)驗(yàn)基金。

或許，這個(gè)概念的實(shí)施時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。

巨型發(fā)電機(jī)

在太空建造發(fā)電站的想法最早是1968年由美國(guó)馬薩諸塞州坎布里奇一個(gè)叫做阿瑟D?李特的咨詢公司的工程師彼特?格拉塞提出來(lái)的。他認(rèn)為我們可以利用軌道太陽(yáng)能電池板獲得能源，然后將它們轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉òl(fā)射回地球。格拉塞設(shè)想巨大的太陽(yáng)能電池板陣列大概要占用50平方公里的面積，每個(gè)電池板要產(chǎn)能幾千兆瓦。屆時(shí)，成百的宇航員將在太空居住，他們像建筑工人一樣勞作，組裝、維護(hù)有一半曼哈頓島面積的結(jié)構(gòu)。

在格拉塞的設(shè)計(jì)中，在太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)的時(shí)候，1公里長(zhǎng)的微波天線把能量束射回地球。地面的接收天線也龐大無(wú)比，甚至造價(jià)更為昂貴，占地面積超過(guò)100平方公里。

如果這一特大項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)，收益是顯而易見(jiàn)的。將太陽(yáng)能電池板放在地球大氣層外的發(fā)電效率相當(dāng)于它在地面平均水平的20倍，這種太空裝置不會(huì)因?yàn)榇髿馕铡円寡h(huán)和云層覆蓋而遭受損失。在36000公里高的同步軌道，即使其下面的地球陰云密布，面對(duì)太陽(yáng)的衛(wèi)星，其每一平方米也都幾乎能連續(xù)地接收到1360瓦的太陽(yáng)能。

根據(jù)日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)高級(jí)使命研究中心主任森政弘的說(shuō)法，這種效率意味著即便考慮到建造這個(gè)系統(tǒng)所需要的能量，一個(gè)太空基礎(chǔ)的太陽(yáng)能發(fā)電站還是能比在地球上占用同樣面積的太陽(yáng)能電站多產(chǎn)能6倍。

美國(guó)的冷淡和日本的熱情

上世紀(jì)70年代，美國(guó)宇航局(NASA)和美國(guó)能源部對(duì)太空基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電站進(jìn)行調(diào)查，他們的結(jié)論是這在技術(shù)上是可行的，但是過(guò)高的造價(jià)使之無(wú)法成功——這個(gè)計(jì)劃需要幾十倍于當(dāng)年第一次衛(wèi)星上天的資金。

約翰?曼金斯曾是前NASA負(fù)責(zé)太空太陽(yáng)能發(fā)電站的研究主管，現(xiàn)在通過(guò)自己在維吉尼亞的公司把時(shí)間都花在為太空太陽(yáng)能做拉拉隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)的職務(wù)上。他指出，有3個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)展可能會(huì)將太陽(yáng)能衛(wèi)星的體積和造價(jià)減少到接近現(xiàn)實(shí)的水平：首先，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男室呀?jīng)是30年前的4倍，因?yàn)檫@個(gè)改進(jìn)，太陽(yáng)能電池板的面積已大大縮??；其次，現(xiàn)在束射技術(shù)也已經(jīng)改進(jìn)，利用固態(tài)裝置已經(jīng)可以將微波束電子化，而不必再借助回轉(zhuǎn)天線了，小型的、有標(biāo)準(zhǔn)件和容易組裝的天線可以替代原先那種高達(dá)1公里的巨型天線了；最后，現(xiàn)在的機(jī)器人足以從事很多復(fù)雜的安裝工作。

這些進(jìn)展有的是在1995年提出的，是在一個(gè)由NASA授權(quán)，叫做“新觀察”的可行性研究中提出來(lái)的。雖然這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)了有利的前景，NASA卻并沒(méi)有繼續(xù)這個(gè)項(xiàng)目，而是在2001年取消了其研究基金。根據(jù)曼金斯的說(shuō)法，這個(gè)決定是受到了一些政府官員的觀點(diǎn)影響，他們認(rèn)為研究新能源不是NASA的分內(nèi)工作。與此相似，美國(guó)能源部對(duì)太空技術(shù)也沒(méi)有表現(xiàn)出很高的熱情。

而在日本，情況卻完全不同。上世紀(jì)80年代，日本就已經(jīng)在幾個(gè)大學(xué)開(kāi)展了對(duì)這一理論的研究，國(guó)家在這個(gè)項(xiàng)目上將陸續(xù)投資1200萬(wàn)美元。該研究由森政弘領(lǐng)導(dǎo)，JAXA和日本經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和工業(yè)部共同出資。經(jīng)過(guò)大約10年的奮斗，現(xiàn)在其初期試驗(yàn)工程已近完成。森政弘說(shuō)，太空太陽(yáng)能對(duì)這個(gè)國(guó)家的未來(lái)是關(guān)鍵的，日本是一個(gè)自然資源很少，并大量依賴外來(lái)能源的國(guó)家。而這種太空太陽(yáng)能系統(tǒng)是惟一能滿足日本未來(lái)需要的大規(guī)模、穩(wěn)定、國(guó)立和清潔能源的選擇。

森政弘的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)耗資10億美元以下，發(fā)電10億瓦特的設(shè)計(jì)，成本是每度電7美分到8美分，相比之下，燒煤的火力發(fā)電價(jià)格是每度電5美分，核電的成本是每度10美分；森政弘的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)太陽(yáng)能聚能鏡，可以把周圍2.5到3公里的太陽(yáng)光聚集在兩個(gè)直徑1.25公里的太陽(yáng)能電池板上。這些太陽(yáng)能被連接到一個(gè)直徑1.8公里的微波發(fā)射器上，這個(gè)裝置把能量束射到地面接受站。森政弘認(rèn)為，這個(gè)系統(tǒng)可在2030年建成。

神戶大學(xué)和東京大學(xué)的無(wú)人宇宙實(shí)驗(yàn)自由航空器研究所(USEF)也一直在從事這一競(jìng)爭(zhēng)。他們把注意力集中在減少飛行器重量和削減發(fā)射成本、以及改進(jìn)太陽(yáng)能電池的效率和開(kāi)發(fā)利于發(fā)熱的硬化電池上。

去年，神戶大學(xué)和東京大學(xué)的另一個(gè)研究小組把一個(gè)簡(jiǎn)單的概念付諸實(shí)驗(yàn)。他們把一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射到離地210公里的小軌道飛行高度，配置了一個(gè)130平方米的網(wǎng)，這個(gè)網(wǎng)實(shí)際上是用蜘蛛網(wǎng)制成的，它與一個(gè)微波發(fā)射器連接，可以將能源束射回地球。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是成功的，但全部的研究結(jié)果尚未公開(kāi)發(fā)表。

更多的爭(zhēng)論

對(duì)于美國(guó)國(guó)家安全太空辦公室(NSSO)來(lái)說(shuō)，太空太陽(yáng)能的吸引力就在于它可能有軍事應(yīng)用價(jià)值。今年，這個(gè)部分歸屬于五角大樓，由空軍中校麥克爾?郎?史密斯負(fù)責(zé)的辦公室接受了一項(xiàng)調(diào)查太空太陽(yáng)能的任務(wù)。雖然史密斯沒(méi)有資金進(jìn)行正式調(diào)查，但是他招募來(lái)一組學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的志愿者專家，通過(guò)博客和論壇參加在線討論。最終他們?cè)诮衲?月美國(guó)科羅拉多州召開(kāi)了會(huì)議，拿出了一份報(bào)告。報(bào)告建議美國(guó)政府在未來(lái)的10年中花費(fèi)100億美元研制能夠?yàn)榈厍蚴?0兆瓦能源的小型衛(wèi)星。如果該項(xiàng)目成功，將誘使私人企業(yè)參與并開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。

太陽(yáng)能衛(wèi)星將處在一段狹窄的微波區(qū)段上，這樣就讓任何在該衛(wèi)星視線范圍內(nèi)的軍事基地都可以成為接收目標(biāo)。一種可能就是戰(zhàn)地士兵可身穿接收天線吸收微波，然后給他們身上的電子設(shè)備充電。即便這種應(yīng)用永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)，向地面束射也將成為一種劃算的、為一些遙遠(yuǎn)的軍事基地提供的可供選擇的發(fā)電方式，其成本將為每度1美元，大約是目前民用電價(jià)格的10倍。麻省理工學(xué)院的航空系統(tǒng)工程師奧利維爾?德威克說(shuō)：“這是我所聽(tīng)到的最早的實(shí)際應(yīng)用。”

參與起草NSSO報(bào)告的官員重復(fù)說(shuō)，軍方想成為太空太陽(yáng)能的一個(gè)“客戶”，而不是自己去研究它。報(bào)告還提出了成立監(jiān)管該項(xiàng)目的新政府機(jī)構(gòu)的可能性，但是，卻沒(méi)有指出如何籌集資金。

在政府的圈子里，對(duì)太空太陽(yáng)能的熱情是受限制的，人們不會(huì)對(duì)即將出版的麻省理工學(xué)院的會(huì)議報(bào)告懷有太大希望。NASA格林研究中心的杰夫?蘭迪斯是與會(huì)者之一，他指出：“總的結(jié)論是，如果我們?cè)僮龀鲆恍┩黄?，這個(gè)項(xiàng)目就是可行的。”他認(rèn)為兩個(gè)領(lǐng)域是關(guān)鍵：一個(gè)是太陽(yáng)能電池的容量從現(xiàn)在的每公斤400瓦提高到每公斤1000瓦；再一個(gè)就是降低太空發(fā)射成本，把它從今天的每公斤20000美元降低到每公斤500美元。

其他的問(wèn)題更難處理。羅格?安琪爾是亞利桑那大學(xué)的太陽(yáng)能狂熱者，他也參加了麻省理工學(xué)院的會(huì)議。他說(shuō)：“你要思考的是，上天獲得了什么，又失去了什么，除了儲(chǔ)存和傳輸?shù)膯?wèn)題，這里還有一個(gè)相當(dāng)巨大的成本價(jià)格?！彼J(rèn)為在地面上我們可以獲得比太空更便宜的太陽(yáng)能。

德威克正在關(guān)注利用集中光束能的安全問(wèn)題。他說(shuō)，“它可能是危險(xiǎn)的，我們并不知道如果飛機(jī)誤飛入這樣的高能光束，后果會(huì)怎樣？假如一個(gè)故障引起束能位移，這些高能波照到人多的地區(qū)又該怎么辦？這些都是足以毀掉這個(gè)項(xiàng)目的疑問(wèn)?！?/p>

麻省理工學(xué)院的建議似乎是很有影響力的，假如這些建議被肯定，太空太陽(yáng)能將重返議事日程，如若不然，這個(gè)被議論了40年的理論或許又將再度被束之高閣沉寂幾十年。