太空電站解決能源危機的終極出路？

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？

地球上所有能源都來自太陽，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)降厍颍窟@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)，1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70年代，美國政府投入了約5000萬美元對此進行研究，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基準系統(tǒng)”。在當時的全球石油危機大背景下，美國宇航局（NASA）與能源部是以21世紀全美一半的發(fā)電量為目標進行設(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。

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為，該方案技術(shù)上可行，但經(jīng)濟上無法實現(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，認為太空電站可以為遠程基地供電，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月在兵庫縣進行過一次無線供受電系統(tǒng)試驗外，在全世界范圍內(nèi)，只有中國真正進入地面驗證階段，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)負責(zé)人。他指出，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。

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隊正在進行最后的調(diào)試。段寶巖是中國天線方面的頂尖專家，此前曾負責(zé)500米口徑球面射電望遠鏡（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

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。曾參加會議的中國空間技術(shù)研究院（五院）的一位太空電站專家回憶說，最早是國內(nèi)的一家民營企業(yè)、來自山西的普蘭德電力技術(shù)有限公司注意到了這件事，向國防科工局提交了相關(guān)提議。領(lǐng)導(dǎo)層很重視，將其交給中國航天科技集團做初步研究和評估，很快，就有了上述研討會。