歐洲航天局日前發(fā)布了一位藝術(shù)家關(guān)于“天基太陽能”的概念圖。圖中，漂浮在太空中的巨型太陽能發(fā)電站產(chǎn)生的能量發(fā)射向地球。這樣的場景讓人們想起1941年美國科幻小說家艾薩克·阿西莫夫發(fā)表的短篇小說《理性》，其中提到了一種通過微波光束從空間站傳輸太陽能到附近行星的技術(shù)。
現(xiàn)在，科技的進(jìn)步，加之對綠色能源日益增長的需求，正讓這樣的夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
今年稍早時間，在德國慕尼黑，空客公司在其X-Works創(chuàng)新工廠演示了使天基太陽能成為現(xiàn)實(shí)所需的關(guān)鍵技術(shù)?？茖W(xué)家使用微波束，在代表“太空”和“地球”的兩點(diǎn)之間傳輸綠色能源超過36米。接收到的能量用以照亮一個模型城市，通過水的裂解成功產(chǎn)生了綠色氫氣。
綠色能源的“靈丹妙藥”？
據(jù)《科學(xué)美國人》文章，天基太陽能被一些人視為是實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，同時仍有穩(wěn)定、可持續(xù)和充足的電力供應(yīng)的“靈丹妙藥”。來自地面太陽能和風(fēng)能的電力都更容易受到環(huán)境條件波動的干擾，與之不同的是，天基太陽能可以全天候運(yùn)行，提供所謂的基本負(fù)載電力，同時還允許在電網(wǎng)之間靈活、快速地調(diào)度電力。
英國空間能源倡議（SEI）聯(lián)合主席馬丁·索爾陶說，天基太陽能另一個優(yōu)勢是不需要重新設(shè)計(jì)電網(wǎng)。地面整流天線將位于現(xiàn)有電網(wǎng)互聯(lián)附近，可能與現(xiàn)有的海上風(fēng)力發(fā)電場毗鄰。
SEI正在進(jìn)行一個名為“仙后座”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃在高地球軌道上放置一個大型衛(wèi)星群。這些衛(wèi)星將由地球上的工廠生產(chǎn)的數(shù)十萬個小型、相同的模塊組成，并由自主機(jī)器人在太空中進(jìn)行組裝，機(jī)器人還將進(jìn)行維修和維護(hù)。衛(wèi)星收集的太陽能將被轉(zhuǎn)換為高頻無線電波，并被傳送到地球上的整流天線，將無線電波轉(zhuǎn)換為電能，每顆衛(wèi)星的電力輸出可與核電站相當(dāng)。
在地球上，陽光被大氣層擴(kuò)散，但在太空中沒有干擾。因此，空間太陽能電池板可以比地球上類似大小的電池板收集更多的能量。
全球競相開展技術(shù)測試
SEI并不是唯一一家對天基太陽能相關(guān)硬件進(jìn)行實(shí)際測試的公司。全球正在開展多個類似項(xiàng)目。
歐洲航天局的SOLARIS計(jì)劃旨在探索天基太陽能的概念和關(guān)鍵技術(shù)。10月18日，歐空局舉行了“SOLARIS工業(yè)日”活動，以加強(qiáng)天基太陽能的研發(fā)任務(wù)，如果得到支持，這些任務(wù)將在2023—2025年期間完成。
日本自20世紀(jì)80年代以來一直在堅(jiān)持不懈地研究天基太陽能。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的研究人員設(shè)計(jì)了一項(xiàng)計(jì)劃，以開發(fā)和測試控制功率束和在軌道上組裝大型結(jié)構(gòu)的新方法。理想情況下，天基太陽能系統(tǒng)將在十年或二十年內(nèi)問世。
美國國家航空航天局未來很可能需要在地球以外使用天基太陽能，以支持其載人月球探測計(jì)劃“阿爾忒彌斯”。例如，圍繞月球的天基太陽能建設(shè)可以幫助支持月球表面基地和其他探索活動。更有潛力的是，天基太陽能有朝一日也可用于星際飛行，而無需攜帶昂貴的推進(jìn)劑。
美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的空間太陽能增量演示和研究項(xiàng)目最近對名為“阿拉克妮”的飛行實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵硬件進(jìn)行了首次端到端測試。預(yù)計(jì)其將于2025年發(fā)射，任務(wù)之一是展示在低地球軌道上形成和聚焦射頻波束的能力。
中國空間技術(shù)研究院和西安電子科技大學(xué)建造了一座大型建筑，展示了聚光和無線電力傳輸?shù)男录夹g(shù)。該項(xiàng)目代號為“逐日工程”，利用了一座75米高的鋼塔。新設(shè)施的設(shè)計(jì)是為了測試和驗(yàn)證球形膜能量收集陣列技術(shù)，該陣列是在地球靜止軌道上收集太陽能的集中器系統(tǒng)。
研究之路道阻且長
并不是所有人都對天基太陽能的前景持如此樂觀的看法。落基山研究所的聯(lián)合創(chuàng)始人、能源政策專家阿莫里·洛文斯表示，盡管將有效載荷送入近地軌道的每公斤成本下降了，但發(fā)射成本對天基太陽能來說仍然是一個巨大的障礙。
盡管天基太陽能在概念上具有吸引力，但洛文斯表示，其他可再生能源的發(fā)展趨勢也構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。陸基可再生能源，如風(fēng)能和太陽能正迅速變得便宜，將這些“地面”能源整合到原有的電網(wǎng)中，可確?！胺€(wěn)固”的電力輸送幾乎不會增加成本。
至于SEI計(jì)劃，索爾陶認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，首先需要進(jìn)行幾輪強(qiáng)有力的太空測試，還有許多其他重要的問題需要解決，比如監(jiān)管環(huán)境和頻譜分配。
任何一項(xiàng)科技成果的應(yīng)用往往隱含利與弊的雙重性。無論如何，太陽能都將深刻影響未來的能源格局。
