在太空中收集太陽能

程悅

一個全球性的競賽正在進(jìn)行中，以挖掘來自太空中的太陽能。

美國太平洋煤電公司（PG&E），是世界上最大的公用事業(yè)公司之一，現(xiàn)在這家公司史冊上將增添一項(xiàng)非同尋常的交易。它打算購買一種微小的太陽能發(fā)電設(shè)備。但這些太陽能板并不是有序地放置在炙熱的沙漠中，而是放在距地面約36000千米的地球同步軌道上。在那里，它們將收集太陽的無限能量，并把能量傳送到電網(wǎng)。這不僅僅是夢想，而是正在進(jìn)行中令人吃驚的太空太陽能項(xiàng)目。

這個項(xiàng)目已經(jīng)有一些重量級的競爭者：中國在行動，旨在2020年建立太空發(fā)電站雛形；俄羅斯已經(jīng)建立了小模型；日本已經(jīng)推出了一個國家太空太陽能計(jì)劃，打算在2030年前有“作業(yè)衛(wèi)星”……這會不會代表著由能源引發(fā)的太空競賽即將拉開序幕？

好處多多的太空太陽能

在太空中，太陽輻射要克服幾大障礙才能到達(dá)地面。其中晝夜變化、云層厚度，以及大氣干潔程度等障礙因素為主。即使在最晴、最長、最明亮的一天，大氣散射和吸收到的太陽入射能量，也只是其原始能量的一小部分。

一旦穿過大氣層，太陽能就只剩下了1/3到1/20。此外太陽輻射的減少量還取決于你所處的位置，不同經(jīng)緯度，太陽入射輻射量也會不一樣。

如果能把太陽能電池板放在太空之中的軌道上，以上所有問題都會迎刃而解。在那里，衛(wèi)星的身上安裝著一個巨大的太陽能光電組列，能收獲陽光的純能量。然后在衛(wèi)星上直接轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)由巨型微波傳輸天線或激光將電能輸回地面電網(wǎng)，以滿足人類的用電需求。這是非常環(huán)保的清潔能源。

太空能源，未來主能量

其實(shí)，該理論是美國航空航天工程師格拉澤于1968年首次提出的。10年后，石油危機(jī)開始威脅到美國，人們開始擔(dān)心如果人類未來沒有化石燃料該怎么辦。對此，美國宇航局和美國能源部合作，花費(fèi)了約2000萬美元，研究如何把在太空收集太陽能變成現(xiàn)實(shí)。

研究表明，能為美國整個東北部供電所需要的太陽能電池板，得有好幾千米寬，重達(dá)8100萬千克。在當(dāng)時的技術(shù)條件下，將1千克貨物發(fā)送到太空中需要花費(fèi)5萬美元，這意味著這樣的衛(wèi)星的發(fā)射成本就達(dá)到了4萬億美元。

石油危機(jī)結(jié)束后不久，這個新生的太空計(jì)劃被取消了。但是，幾十年來，由于人類對化石燃料儲量的擔(dān)憂，燃燒后導(dǎo)致大量溫室氣體排放，科學(xué)家對在太空中獲得能源仍念念不忘，日本就處在太空太陽能研究的最前沿。日本沒有屬于自己的化石燃料資源，想要利用風(fēng)力和太陽能，土地面積又不足；另一方面，福島核災(zāi)難仍然歷歷在目。因此，日本航天局等機(jī)構(gòu)開發(fā)太空太陽能嚴(yán)格的規(guī)劃圖，軌道試驗(yàn)計(jì)劃開始于2020年，準(zhǔn)備充分的作業(yè)衛(wèi)星將在2030年傳遞1千兆瓦能量。

技術(shù)改善是幫手

這個項(xiàng)目能得到實(shí)施，部分要?dú)w功于這半個世紀(jì)以來的技術(shù)進(jìn)步。以無線電發(fā)射能量為例，在1975年，美國宇航局發(fā)射了34千瓦無線電能，點(diǎn)亮了距離1.5千米遠(yuǎn)的一個陣列中300瓦的燈。2008年，他們在夏威夷島上的個島嶼之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，距離增加了100倍以上。

太陽能電池也有所改善。最好的太陽能電池的最高效率悄悄從1950年代的6%升到了如今的30%。那只是對于一個太陽而言，使用動態(tài)陣列的鏡子，就能多次反射太陽光，相當(dāng)于多個太陽在輻射，就能產(chǎn)生更多能量。如果我們能得到相當(dāng)于400到500個太陽在輻射的效果，效率會提高到45%。

不過，衛(wèi)星進(jìn)入太空中仍然存在一個巨大的難點(diǎn)，那就是發(fā)射成本并沒有隨著時代的發(fā)展而有顯著的改善?？茖W(xué)家目前唯一能做的只能是嚴(yán)格限制衛(wèi)星重量—減輕每一個設(shè)備的重量，包括太陽能發(fā)電層、無線微波傳輸系統(tǒng)和航天器結(jié)構(gòu)等—以降低發(fā)射成本。

但降低發(fā)射成本，不只包括重量，還包括體積。折疊設(shè)計(jì)的物體，能最大限度減少發(fā)射的體積。此外，科學(xué)家已經(jīng)找到一種方法把所需要的光電層、電力-微波轉(zhuǎn)換的電子設(shè)備、背地面天線等，壓縮成一個輕量級的薄片，厚度小于1厘米。

最近，另一個正在進(jìn)行的太空競賽—回收火箭技術(shù)，使得火箭能重復(fù)使用，節(jié)約資金，也為太空太陽能的計(jì)劃提供了基礎(chǔ)。

成為太空太陽能的主人

目前，大多數(shù)企業(yè)將獲得的太空太陽能的目標(biāo)只設(shè)定為1千兆瓦，這與我們現(xiàn)有的太陽能發(fā)電能力相比（超過1000千兆瓦），相形見絀。但這只是開端，科學(xué)家堅(jiān)信很快每個衛(wèi)星可達(dá)到10千兆瓦。

科學(xué)家原計(jì)劃將衛(wèi)星發(fā)射到地球同步軌道上，在地球表面上空同一點(diǎn)徘徊，使能量的發(fā)射盡可能簡單。但長久打算的話，這并不理想，因?yàn)樾l(wèi)星會被限制在日益擁擠的軌道上。另外，也有些人認(rèn)為，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力，電力轉(zhuǎn)化成微波，最后微波再轉(zhuǎn)化為電力，這樣多次轉(zhuǎn)化使得能量效率低、浪費(fèi)電力。

無論如何，太空太陽能技術(shù)即將引發(fā)新的太空競賽，誰先成功實(shí)行這項(xiàng)技術(shù)，就能轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂魄鍧嵞茉吹摹爸魅恕?，占領(lǐng)未來能源市場。endprint