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歐洲航天局計(jì)劃在太空建造太陽能發(fā)電站，應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，但建造成本似乎限制了天基太陽能的發(fā)展。不過，可回收火箭的出現(xiàn)讓天基太陽能發(fā)電有可能成真。
文 | 斯圖爾特?克拉克（Stuart Clark）
譯 | 馬駿
編 | 聞靜
原文刊載于《科學(xué)焦點(diǎn)》2023.05 期
向地球輸電的“通信衛(wèi)星”
2022 年 11 月下旬，歐洲航天局（ESA，簡(jiǎn)稱歐空局）科技部長理事會(huì)在巴黎召開會(huì)議，制訂了歐空局未來 3 年的工作重點(diǎn)。其中一項(xiàng)事關(guān)當(dāng)下乃至未來的全球熱點(diǎn)問題 —— 能源問題。歐空局決定，實(shí)施“天基太陽能”（Solaris）計(jì)劃，讓歐洲擺脫化石能源短缺的困擾，保障歐空局成員國的能源安全。簡(jiǎn)單來說，這個(gè)計(jì)劃旨在研究建立天基在軌商用發(fā)電站的可行性。
根據(jù)天基太陽能計(jì)劃，這些發(fā)電站將利用巨大的太陽能電池板，吸收更多太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，再以微波的形式傳輸?shù)降厍颉６孛娼邮照就ㄟ^巨大的天線接收微波，然后將微波傳輸?shù)碾娔苤苯虞斎腚娋W(wǎng)。
這聽起來挺像科幻小說里的情節(jié)。但歐空局的科學(xué)家桑賈伊?維詹德蘭（Sanjay Vijendran）表示，其實(shí)在過去 60 年間，科學(xué)家一直在做類似的嘗試。因?yàn)?strong>通信衛(wèi)星都能通過太陽能電池板產(chǎn)生電能，并依靠這些電能向地球傳輸信號(hào)。在地面上，這些信號(hào)又被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，用于數(shù)據(jù)解讀?！巴ㄐ判l(wèi)星傳輸信號(hào)所涉及的物理學(xué)原理同天基太陽能發(fā)電所涉及的原理完全相同，只是發(fā)電規(guī)模相差甚遠(yuǎn)?！本S詹德蘭解釋說。
每千克運(yùn)費(fèi) 300 美元即可實(shí)現(xiàn)
天基太陽能發(fā)電站要達(dá)到商業(yè)發(fā)電的規(guī)模，需要配備長達(dá)數(shù)千米的太陽能電池板，這是國際空間站上的太陽能電池板總長度的 10 倍還多。這些太陽能電池板將由機(jī)器人安裝在距離地球表面 36000 千米的太空。這一高度位置同通信衛(wèi)星處于同一軌道，這樣太陽能發(fā)電站能與地面接收站保持相對(duì)靜止，便于能量傳輸。
這聽起來就很難實(shí)現(xiàn)。不過，目前建造天基在軌太陽能發(fā)電站只有一個(gè)阻礙，就是成本問題 —— 向太空運(yùn)送建造材料的成本太高了。通常，向太空運(yùn)送貨物的成本為每千克 1000 美元（約合人民幣 7200 元）左右，但鑒于天基在軌太陽能發(fā)電站的龐大體量，建造成本更高，投入產(chǎn)出比不太合理，無法實(shí)現(xiàn)商用。
不過，隨著美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的可回收火箭在航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越頻繁，航天成本正在急劇下降?！皩?duì)于天基太陽能發(fā)電站的建造來說，每千克 300 美元（約合人民幣 2200 元）的運(yùn)送成本簡(jiǎn)直是個(gè)好消息?！鼻叭蚊绹娇蘸教炀值奈锢韺W(xué)家、現(xiàn)任阿爾忒彌斯創(chuàng)新管理解決方案公司總裁約翰?曼金斯（John Mankins）說。
曼金斯是太陽能發(fā)電衛(wèi)星領(lǐng)域的知名專家，此前他一直認(rèn)為，對(duì)天基太陽能發(fā)電來說，建造材料的運(yùn)送成本是一個(gè)限制性因素。但這一限制性因素不會(huì)存在太長時(shí)間了。曼金斯說：“每千克 300 美元的運(yùn)送成本會(huì)在未來 5～7 年里變成現(xiàn)實(shí)。”
正因如此，歐空局正與歐洲相關(guān)的制造企業(yè)合作，設(shè)計(jì)了兩種太陽能發(fā)電衛(wèi)星。此外，歐空局也開啟了一項(xiàng)關(guān)于太陽能電池和大型天線的研發(fā)計(jì)劃，讓太陽能發(fā)電衛(wèi)星更輕便、高效。
試驗(yàn)衛(wèi)星已能向地面?zhèn)鬏斈芰?/strong>
天基太陽能技術(shù)的前景如此可觀，因此不只是歐空局，還有其他機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在開展類似的研究。
2021 年 9 月，英國一家名為 Frazer-Nash 的咨詢公司向英國政府提交了一份報(bào)告，他們提出：“天基太陽能項(xiàng)目在技術(shù)上可行，成本也可接受，而且能為英國帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益，還有助于實(shí)現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)?！苯眨紝①Y助 430 萬英鎊（約合人民幣 4000 萬元）探索天基太陽能，以期提供更清潔廉價(jià)的能源，提高英國能源安全。
中國也在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，并計(jì)劃在 2028 年前完成空地能量傳輸?shù)目尚行匝芯?。目前，中國的?jì)劃旨在驗(yàn)證技術(shù)可行性，并不是建造真正的商用天基太陽能發(fā)電站。不過，一旦試驗(yàn)成功，將對(duì)天基太陽能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生里程碑式的影響。
美國加利福尼亞理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在 2023 年 1 月 3 日，發(fā)射了一顆名為“空間太陽能演示器”（Space Solar Power Demonstrator，縮寫為 SSPD）的試驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證可正式運(yùn)行的在軌太陽能發(fā)電站所需的技術(shù)。6 月 1 日，美國加利福尼亞理工學(xué)院宣布，該衛(wèi)星已將微波束的能量導(dǎo)向太空中的目標(biāo)，甚至還將一部分能量發(fā)送到地球的探測(cè)器上。
“很明顯，我們要加把勁兒了?！本S詹德蘭說，“天基太陽能計(jì)劃對(duì)于我們驗(yàn)證在太空實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電是否可行具有重要意義，也會(huì)推動(dòng)后續(xù)的相關(guān)研究。”
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