太空電站：解決人類能源危機(jī)的終極出路？

霍思伊

有沒有一種“一勞永逸”的辦法，可以徹底解決人類的能源危機(jī)？

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(fēng)、太陽能等清潔能源，都與太陽有關(guān)。化石能源帶來大氣污染且很快將耗盡，風(fēng)、光和水能并不穩(wěn)定，實際發(fā)電量占比僅為23.6%。在大規(guī)模儲能技術(shù)取得重大突破之前，僅依靠可再生能源提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供給也不現(xiàn)實。

那么，可不可以在太空建一座電站，直接吸收太陽能并轉(zhuǎn)化成電能，再傳輸?shù)降厍?？這就是“空間太陽能電站”（簡稱“太空電站”）。中科院院士葛昌純于2021年5月撰文指出，空間太陽能電站與可控核聚變電站被認(rèn)為是兩種最有可能的終極能源解決途徑。但可控核聚變目前仍處于基礎(chǔ)科學(xué)研究有待突破的階段，而空間太陽能電站不存在基礎(chǔ)科學(xué)問題，雖然工程規(guī)模巨大，但相關(guān)技術(shù)經(jīng)過持續(xù)研發(fā)是能夠在一定時間內(nèi)取得重要突破的。他預(yù)計，在本世紀(jì)下半葉，中國將會形成空間太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，成為中國能源基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

眼下，中國正朝著這一目標(biāo)邁出第一步。2021年6月18日，在重慶市西邊的璧山區(qū)福祿鎮(zhèn)和平村，璧山空間太陽能電站實驗基地宣布正式開工建設(shè)。很快，一個50～300米高的浮空平臺將從璧山升起，這是一個中小規(guī)模的氣球陣，科學(xué)家們會嘗試先從這個高度往地球輸電，下一步則是平流層，距離地面有22公里。

到太空去逐日

太陽輻射在穿過地球大氣層時，可能遭遇云、霧、雨、雪等各種天氣現(xiàn)象，云層會反射大部分太陽光，因此長年多云的地區(qū)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，和地面太陽能電站相比，太空電站的最大優(yōu)勢是它的穩(wěn)定性。中國工程院院士、重慶大學(xué)通信與測控研究所所長楊士中指出，由于大氣層衰減，地面太陽能電站可產(chǎn)生的電力有限，有很明顯的區(qū)域差異。比如，在日照充足的中國西北地區(qū)，一平方米的光伏電池可產(chǎn)生0.4千瓦電力，在霧都重慶，僅為0.1千瓦。但在距離地球表面約3.6萬公里高度的地球同步軌道上，發(fā)電功率可高達(dá)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(jié)影響，99%的時間內(nèi)可以穩(wěn)定地接收太陽輻射，可以全天候大規(guī)模發(fā)電，發(fā)電效率是地面的幾十倍。

太空電站的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種，相較而言，微波的能量傳輸效率更高，云層穿透損耗低，安全性較好，且技術(shù)相對成熟，因此，現(xiàn)行方案多以微波傳輸為主。

1968 年，美國彼得·格拉賽博士首次提出太空電站的構(gòu)想。整個20世紀(jì)70年代，美國政府投入了約5000萬美元對此進(jìn)行研究，直到1979年，設(shè)計出全世界第一個具體的概念方案，名為“1979-SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。在當(dāng)時的全球石油危機(jī)大背景下，美國宇航局（NASA）與能源部是以21世紀(jì)全美一半的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，計劃在地球同步軌道上部署60個發(fā)電能力各為5GW（百萬千瓦）的太空電站，整個系統(tǒng)算下來共需要2500億美元。

西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)的試驗塔，用于在地面全鏈路演示段寶巖團(tuán)隊獨(dú)家設(shè)計的OMEGA方案。圖/受訪者提供

方案一出，就引發(fā)巨大爭議。美國國家研究委員會和國會評價委員會的評審認(rèn)為，該方案技術(shù)上可行，但經(jīng)濟(jì)上無法實現(xiàn)。此后數(shù)年，由于難度大、效率低、成本高，美國對此的研究曾一度停滯。但從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(rèn)為太空電站可以為遠(yuǎn)程基地供電，在軍事上有很大的潛在需求。

2011年，國際宇航科學(xué)院（IAA）發(fā)布了首份對太空電站可行性和前景分析的國際評估報告，報告的主要撰寫人之一、曾在NASA負(fù)責(zé)太空項目多年的約翰·曼金斯在報告發(fā)布會上自信地說：“最終，學(xué)院的判斷是空間太陽能電站不僅在技術(shù)上是可行的，并且在未來30年內(nèi)也會在經(jīng)濟(jì)上可行。

日本在微波無線能量傳輸技術(shù)的研究上一直處于世界領(lǐng)先水平，因此在發(fā)展太空電站上有天然優(yōu)勢，是第一個將開發(fā)商業(yè)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(fā)展路線圖，要在2050年建成商業(yè)化太空電站。

然而目前，除日本2015年3月在兵庫縣進(jìn)行過一次無線供受電系統(tǒng)實驗外，在全世界范圍內(nèi)，只有中國真正進(jìn)入地面驗證階段，而其他國家還停留在概念構(gòu)想階段。

楊士中是璧山項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人。他對《中國新聞周刊》指出，太空電站的關(guān)鍵，在于將電從太空以無線的方式穩(wěn)定地傳輸?shù)降孛骐娋W(wǎng)，因此，大功率、遠(yuǎn)距離無線傳能技術(shù)的突破是一個必須跨越的難關(guān)，比如傳輸效率是否足夠大，波束是否指向規(guī)定的接收口徑，讓誤差盡可能縮小。這些技術(shù)都要先在浮空平臺上做試驗，為今后真正的太空電站打下基礎(chǔ)。璧山項目占地約200畝，總投資約26億元，目前到位投資為1億元。

“我們每次發(fā)射一顆新的衛(wèi)星，都要先在高空的氣球或飛機(jī)上測試，也借此把一些技術(shù)問題、科學(xué)問題研究明白，然后再用火箭把衛(wèi)星打上去，璧山實驗的作用也是如此?！睏钍恐薪忉尩馈?/p>

與此同時，在西安電子科技大學(xué)的校園內(nèi)，由該校教授、中國工程院院士段寶巖組成的團(tuán)隊正在進(jìn)行最后的調(diào)試。段寶巖是中國天線方面的頂尖專家，此前曾負(fù)責(zé)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的總體設(shè)計。和璧山浮空平臺的功能類似，西電在校內(nèi)架起了一個75米高的支撐試驗塔。

段寶巖對《中國新聞周刊》介紹，試驗塔上安裝了聚光鏡、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)射天線，可以在50～60米的高度上向地面進(jìn)行無線傳輸，目前已經(jīng)基本建成。這就是西電“逐日工程”的一部分，它在2018年12月，與璧山項目同時啟動。

航天與能源領(lǐng)域的曼哈頓工程