小到空間站的建設

　　大到月球探測、火星移民

　　有充足的供電是基本條件

　　太空電站：解決(jue) 人類能源危機的終極出路？

　　本刊記者/霍思伊

　　發於(yu) 2021.8.2總第1006期《中國新聞周刊》

　　有沒有一種“一勞永逸”的辦法，可以徹底解決(jue) 人類的能源危機？

　　地球上所有的能源都來自太陽，無論是煤炭、石油、天然氣等化石能源，還是水、風、太陽能等清潔能源，都與(yu) 太陽有關(guan) 。化石能源帶來大氣汙染且很快將耗盡，風、光和水能並不穩定，實際發電量占比僅(jin) 為(wei) 23.6%。在大規模儲(chu) 能技術取得重大突破之前，僅(jin) 依靠可再生能源提供持續穩定的能源供給也不現實。

　　那麽(me) ，可不可以在太空建一座電站，直接吸收太陽能並轉化成電能，再傳(chuan) 輸到地球？這就是“空間太陽能電站”（簡稱“太空電站”）。中科院院士葛昌純於(yu) 2021年5月撰文指出，空間太陽能電站與(yu) 可控核聚變電站被認為(wei) 是兩(liang) 種最有可能的終極能源解決(jue) 途徑。但可控核聚變目前仍處於(yu) 基礎科學研究有待突破的階段，而空間太陽能電站不存在基礎科學問題，雖然工程規模巨大，但相關(guan) 技術經過持續研發是能夠在一定時間內(nei) 取得重要突破的。他預計，在本世紀下半葉，中國將會(hui) 形成空間太陽能發電產(chan) 業(ye) ，成為(wei) 中國能源基礎設施的重要組成部分。

　　眼下，中國正朝著這一目標邁出第一步。2021年6月18日，在重慶市西邊的璧山區福祿鎮和平村，璧山空間太陽能電站實驗基地宣布正式開工建設。很快，一個(ge) 50~300米高的浮空平台將從(cong) 璧山升起，這是一個(ge) 中小規模的氣球陣，科學家們(men) 會(hui) 嚐試先從(cong) 這個(ge) 高度往地球輸電，下一步則是平流層，距離地麵有22公裏。

　　到太空去逐日

　　太陽輻射在穿過地球大氣層時，可能遭遇雲(yun) 、霧、雨、雪等各種天氣現象，雲(yun) 層會(hui) 反射大部分太陽光，因此長年多雲(yun) 的地區可接收到的太陽能總是不足，這就是大氣對太陽能的衰減作用。

　　因此，和地麵太陽能電站相比，太空電站的最大優(you) 勢是它的穩定性。中國工程院院士、重慶大學通信與(yu) 測控研究所所長楊士中指出，由於(yu) 大氣層衰減，地麵太陽能電站可產(chan) 生的電力有限，有很明顯的區域差異。比如，在日照充足的中國西北地區，一平方米的光伏電池可產(chan) 生0.4千瓦電力，在霧都重慶，僅(jin) 為(wei) 0.1千瓦。但在距離地球表麵約3.6萬(wan) 公裏高度的地球同步軌道上，發電功率可高達10千瓦~14千瓦。在太空中，既可以完美避開大氣層的衰減，也不受晝夜、季節影響，99%的時間內(nei) 可以穩定地接收太陽輻射，可以全天候大規模發電，發電效率是地麵的幾十倍。

　　太空電站的遠距離無線能量傳(chuan) 輸載體(ti) 有微波和激光兩(liang) 種，相較而言，微波的能量傳(chuan) 輸效率更高，雲(yun) 層穿透損耗低，安全性較好，且技術相對成熟，因此，現行方案多以微波傳(chuan) 輸為(wei) 主。 

　　1968 年，美國彼得·格拉賽博士首次提出太空電站的構想。整個(ge) 20世紀70年代，美國政府投入了約5000萬(wan) 美元對此進行研究，直到1979年，設計出全世界第一個(ge) 具體(ti) 的概念方案，名為(wei) “1979-SPS基準係統”。在當時的全球石油危機大背景下，美國宇航局（NASA）與(yu) 能源部是以21世紀全美一半的發電量為(wei) 目標進行設計，計劃在地球同步軌道上部署60個(ge) 發電能力各為(wei) 5GW（百萬(wan) 千瓦）的太空電站，整個(ge) 係統算下來共需要2500億(yi) 美元。

　　方案一出，就引發巨大爭(zheng) 議。美國國家研究委員會(hui) 和國會(hui) 評價(jia) 委員會(hui) 的評審認為(wei) ，該方案技術上可行，但經濟上無法實現。此後數年，由於(yu) 難度大、效率低、成本高，美國對此的研究曾一度停滯。但從(cong) 2007年起，美國國防部國家安全空間辦公室成立了空間太陽能電站研究組，認為(wei) 太空電站可以為(wei) 遠程基地供電，在軍(jun) 事上有很大的潛在需求。

　　2011年，國際宇航科學院（IAA）發布了首份對太空電站可行性和前景分析的國際評估報告，報告的主要撰寫(xie) 人之一、曾在NASA負責太空項目多年的約翰·曼金斯在報告發布會(hui) 上自信地說：“最終，學院的判斷是空間太陽能電站不僅(jin) 在技術上是可行的，並且在未來30年內(nei) 也會(hui) 在經濟上可行。

　　日本在微波無線能量傳(chuan) 輸技術的研究上一直處於(yu) 世界領先水平，因此在發展太空電站上有天然優(you) 勢，是第一個(ge) 將開發商業(ye) 化太空電站正式列入國家航天計劃的國家。2017年，日本公布了最新的發展路線圖，要在2050年建成商業(ye) 化太空電站。

　　然而目前，除日本2015年3月在兵庫縣進行過一次無線供受電係統實驗外，在全世界範圍內(nei) ，隻有中國真正進入地麵驗證階段，而其他國家還停留在概念構想階段。

　　楊士中是璧山項目的技術負責人。他對《中國新聞周刊》指出，太空電站的關(guan) 鍵，在於(yu) 將電從(cong) 太空以無線的方式穩定地傳(chuan) 輸到地麵電網，因此，大功率、遠距離無線傳(chuan) 能技術的突破是一個(ge) 必須跨越的難關(guan) ，比如傳(chuan) 輸效率是否足夠大，波束是否指向規定的接收口徑，讓誤差盡可能縮小。這些技術都要先在浮空平台上做試驗，為(wei) 今後真正的太空電站打下基礎。璧山項目占地約200畝(mu) ，總投資約26億(yi) 元，目前到位投資為(wei) 1億(yi) 元。

　　“我們(men) 每次發射一顆新的衛星，都要先在高空的氣球或飛機上測試，也借此把一些技術問題、科學問題研究明白，然後再用火箭把衛星打上去，璧山實驗的作用也是如此。”楊士中解釋道。

　　與(yu) 此同時，在西安電子科技大學的校園內(nei) ，由該校教授、中國工程院院士段寶岩組成的團隊正在進行最後的調試。段寶岩是中國天線方麵的頂尖專(zhuan) 家，此前曾負責500米口徑球麵射電望遠鏡（FAST）的總體(ti) 設計。和璧山浮空平台的功能類似，西電在校內(nei) 架起了一個(ge) 75米高的支撐試驗塔。

　　段寶岩對《中國新聞周刊》介紹，試驗塔上安裝了聚光鏡、光電轉換係統和發射天線，可以在50~60米的高度上向地麵進行無線傳(chuan) 輸，目前已經基本建成。這就是西電“逐日工程”的一部分，它在2018年12月，與(yu) 璧山項目同時啟動。

　　航天與(yu) 能源領域的曼哈頓工程

　　中國對太空電站的正式研討始自2006年。當年7月，中國航天科技集團公司組織進行了一場概念研討會(hui) 。曾參加會(hui) 議的中國空間技術研究院（五院）的一位太空電站專(zhuan) 家對《中國新聞周刊》回憶說，最早是國內(nei) 的一家民營企業(ye) 、來自山西的普蘭(lan) 德電力技術有限公司注意到了這件事，向國防科工局提交了相關(guan) 提議。領導層很重視，將其交給中國航天科技集團作初步研究和評估，很快，就有了上述研討會(hui) 。

　　經過前期多次的調研與(yu) 論證，2014年，中國太空電站的發展規劃及路線圖出爐，分為(wei) 兩(liang) 大步和三小步：在2030年左右先建設一個(ge) 兆瓦級（1兆瓦）的小型太空電站，到2050年再擴展升級到GW（百萬(wan) 千瓦）級，也就是兆瓦級的1000倍。

　　構想中的太空電站距離地麵的高度達到3.6萬(wan) 公裏，位於(yu) 地球的同步軌道（GEO）上，屬於(yu) 高軌道。而大多數衛星、空間站都在近地軌道上，比如國際空間站一般在距地表300多公裏的軌道上飛行，太空電站的高度是空間站的100多倍。在這樣絕無僅(jin) 有的高度上進行能量傳(chuan) 輸，挑戰非常大。

　　前述五院專(zhuan) 家指出，空間太陽能電站是一個(ge) 非常龐大的係統工程，其重量、尺度方麵遠超現有航天設施，因此人們(men) 將其稱為(wei) 航天與(yu) 能源領域的“曼哈頓工程”。一個(ge) 小型的兆瓦級電站的重量，就已經比現在大多數的國際空間站要大，還要考慮到在軌組裝的難度，和空間站的建設相比，根本不是一個(ge) 量級。一個(ge) 空間站也就由幾個(ge) 艙段構成，在組裝時太空機械臂就可以實現，接口的控製也不須考慮過多。但太空電站需要組裝大量的模塊，組裝時不能再采用現在的空間自主交會(hui) 對接方式，未來，需要設想一套新的空間組裝係統，盡可能讓接口簡化，也需要大量的空間機器人參與(yu) 。

　　“想象一下數千個(ge) 模塊被發射到天上，先進入低軌，再推進到高軌，然後釋放，再組裝，整個(ge) 過程的複雜程度肯定遠超我們(men) 的想象。”他說。

　　根據路線圖，在建設兆瓦級的第一階段，具體(ti) 分三步走，先進行關(guan) 鍵技術的地麵及浮空器試驗驗證，也就是璧山項目與(yu) 西電的“逐日工程”正在進行的工作，其次是進行高空超高壓發電輸電驗證，最終進行空間無線傳(chuan) 能試驗。

　　多位受訪專(zhuan) 家對《中國新聞周刊》都表示，目前，日本、美國和中國等國都計劃在2050年前後實現“逐日”，但由於(yu) 所需資金巨大，在第二階段，是否能按期完成計劃還有待觀察。

　　“從(cong) 技術本身而言，沒有卡脖子的製約要素，關(guan) 鍵在於(yu) 大家有沒有信心、願不願意去投入。如果加大投入的資金，也有可能提前完成計劃，但根據目前的進展來看，可能會(hui) 延遲一些。”五院的專(zhuan) 家這樣說。

　　從(cong) APLHA到OMEGA

　　在西電校園內(nei) ，一座巨大的三角形塔平地而起，周圍的教學樓在其映襯下顯得格外“低矮”。在塔的中心，距離地麵55米高的地方，有四個(ge) 半球麵的聚光裝置，每個(ge) 直徑約6.7米，這是聚光式太空電站的核心。當太陽光射入球形反射麵上後，會(hui) 匯集到一個(ge) 固定的聚光區，再打入光伏電池並產(chan) 生直流電，隨後轉成微波，通過發射天線傳(chuan) 輸到地麵。

　　這是段寶岩團隊獨家設計的OMEGA方案在地麵的全鏈路演示過程。

　　自美國設計出“1979-SPS基準係統”之後，國際上已經提出了幾十個(ge) 不同的太空電站概念方案，可以分為(wei) 非聚光式和聚光式兩(liang) 大類型。最早的1979方案是經典的非聚光式，即照射過來的太陽光即時被轉化成電能，再轉成微波發射出去，但這個(ge) 過程中，最大的難點是如何同時實現“兩(liang) 個(ge) 定向”，即在轉動中，電池陣必須一直對著太陽，發射天線始終對地，就像衛星一樣。

　　前述五院專(zhuan) 家解釋說，由於(yu) 太空電站的體(ti) 量太過龐大，且結構複雜，這麽(me) 大的質量，要讓它轉動起來滿足“兩(liang) 個(ge) 定向”，同時還要傳(chuan) 電，這對於(yu) 總體(ti) 控製係統的要求極高。

　　近年來，聚光式太空電站成為(wei) 國際上的研究熱點。2012 年，約翰·曼金斯提出了ALPHA方案，全稱是“任意相控陣空間太陽能電站”，整個(ge) 結構被設計成一個(ge) “酒杯”，通過“酒杯”杯身內(nei) 部弧形反射麵的設計，使射入光集中到底部的三明治結構上，在這裏，太陽能電池陣、電力傳(chuan) 輸與(yu) 管理係統，以及微波發射天線三部分被集成為(wei) 一體(ti) 。現在，太陽電池陣和天線集成在一起的三明治結構始終對準地麵，不用再轉動，隻需要將聚光係統設計成可以調整的結構即可，但這一設計也將非常複雜。

　　前述五院專(zhuan) 家認為(wei) ，聚光式方案目前雖然很熱，但綜合技術難度更大，相比之下，非聚光式方案更有現實可行性，隻需要解決(jue) 大功率導電旋轉關(guan) 節的技術難題，對此，五院已布局展開相關(guan) 研究。

　　但在段寶岩看來，非聚光的最大問題是效率較低，因此，聚光式方案將會(hui) 是未來的發展方向。今年內(nei) ，他們(men) 團隊預計會(hui) 完成OMEGA的地麵驗證試驗，如果驗證通過，在傳(chuan) 輸效率和功質比上都有不錯的數據，下一步，就是考慮如何將它“升空”。

　　中科院院士、“兩(liang) 彈一星”元勳王希季曾有一個(ge) 論斷：發展空間太陽能電站將帶來前所未有的、影響深遠的改造客觀世界的重大變革。在解決(jue) 能源問題之外，多位專(zhuan) 家指出，研發太空電站更重要的意義(yi) 是可以帶動整個(ge) 航天領域空間技術的全麵進步，比如在軌大型結構製造能力、人類利用空間能力，以及具有非常多應用場景的微波傳(chuan) 輸能力。

　　前述五院專(zhuan) 家指出，小到空間站的建設，大到月球探測、火星移民，有充足的供電是基本條件。太空電站建成後，對人類開發太空也將起到巨大幫助。

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