天基太陽能，走向未來的珍貴“能源”

文 李大斗

能源是世界發展的最基本驅動力，是人類賴以生存的基礎。

人類在享受能源帶來的經濟發展、科技進步等利益的同時，也遇到了一系列無法避免的能源安全挑戰。能源短缺、資源爭奪，以及過度使用能源造成的環境污染等問題威脅著人類的生存與發展。

事實上，自工業革命以來，能源的供應就一直沒有跟上人類的需求。根據經濟學家和科學家的普遍估計，到21世紀中葉，即2050年左右，石油資源將會開采殆盡。到那時，如果新的能源體系尚未建立，能源危機將席卷全球。不難想象，那時的世界工業將會大幅度萎縮，最壞的情況下，各個國家甚至可能因為搶占剩余的石油資源而發動戰爭。

為了避免上述窘境的出現，世界上許多國家都在積極開發可再生能源，如太陽能、風能、海洋能等。尤其是太陽能——地球上絕大多數的能源來源。

太陽能是太陽內部連續不斷的核聚變反應過程產生的能量。太陽主要是由氫原子組成的。氫原子在極高的溫度下，會結合成氦原子，結合過程中會損失一部分質量，轉化成巨大的能量釋放出來。根據太陽產生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命為幾十億年，從這個意義上，可以說太陽能是取之不盡用之不竭的。

人類理想的清潔能源

據記載，人類利用太陽能已有3000多年的歷史，但是將太陽能作為一種能源和動力加以利用只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”則是近些年的事。20世紀70年代以來，有關太陽能的科技突飛猛進，對太陽能的利用可謂日新月異。然而，地球表面的太陽能能量密度低而且不穩定，這大大限制了它在人類綜合能源體系中的作用。

由于大氣層的反射、散射，太陽輻射到地表的能量僅為其總輻射能量的二十二億分之一，但已高達173 000太瓦，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。雖然到達地球表面的太陽輻射總量如此之高，但是能量密度卻很低。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉換功率，往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備，造價會比較高。

天基太陽能發電概念圖

太陽能還會受到晝夜、季節、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制，以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響，極不穩定。這給太陽能的大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續、穩定的能源，就必須很好地解決蓄能問題，但蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環節之一。

太陽能利用，有些方面在理論上是可行的，技術上也是成熟的。但現有的太陽能利用裝置，效率偏低，成本較高，在實驗室中的利用效率也不超過30%，在現實中利用效率只會更低。以太陽能板為例，底層大氣中的顆粒污染物會形成氣溶膠，阻擋陽光透射并沉積在太陽能板上，在污染較嚴重地區，甚至會導致太陽能發電效率下降50%以上。總的來說，太陽能的經濟性還不能與常規能源競爭。

除此之外，在現階段的技術條件下，太陽能板的壽命并不算長，3～5年就需要換1次。換下來的太陽能板很難被大自然分解，這又會對環境造成相當大的污染。

盡管現階段對太陽能的利用存在種種困難，但不可否認的是太陽能既是一次能源，又是可再生能源，它資源豐富，既可免費使用，又無須運輸，同時對環境不會造成任何污染。從各方面來看，太陽能都是人類理想的清潔能源。未來有沒有更好的辦法去利用太陽能？可能真有！從企業家、技術狂人埃隆·馬斯克的只言片語中可以看出端倪。

“未來技術”工程

在2021年的國際宇航大會上，有人問馬斯克：你每年發射那么多火箭、排放那么多溫室氣體，究竟為什么？就因為你想去火星嗎？他回答：太陽能才是清潔能源，而天基太陽能的能量密度更大，目前的發展過程將有利于未來長久環保……

馬斯克所說的天基太陽能，就是把太陽能發電站建在太空中，以便更多、更直接地接收太陽輻射，獲得遠勝地面的發電效益。天基太陽能與地面太陽能相比，在理論上有著不小的優勢。天基太陽能不占用地面，節省了珍稀的地球資源；沒有大氣反射、散射效應，太陽輻射接收率達100%；在太陽同步軌道上無晝夜交替，每天24小時持續工作；沒有季節、天氣的變化，每年365天工況恒定；沒有因沙塵積累、材料氧化等導致的發電效率逐漸降低的問題。以目前的科技水準而論，其單位面積太陽能板的發電效能要比地面站提升5倍。如果能夠擁有這樣的太陽能發電站，人類就可以獲得更多的清潔能源。

這項看起來很像是“未來技術”的工程，從50多年前就已開始受到學界的關注。20世紀60年代，美國科學家提出了“天基太陽能發電”的想法，然而直到近些年，各個國家才開始真正付諸行動。

能源匱乏的日本很早就關注到了“天基太陽能”。2009年9月，日本三菱電氣和另一個公司合作開啟了210億美元的項目，計劃用30年在太空建造大型太陽能發電場，并將能量傳回地球。2014年，日本清水建設公司公布了“月環”計劃，即利用太陽能板環繞月球，長度接近1.1萬千米。太陽能板捕獲的能量利用微波被傳回地球，而后借助激光直接將能量傳輸到需要的地區。“月環”計劃可產生大約1.3萬太瓦太陽能。清水建設公司表示這項計劃不僅可以提供近乎無限的能量，同時也可以遏制因能源消耗釋放二氧化碳導致的全球氣候變暖。

無獨有偶，英國在最新更新的“凈零創新組合”中明確規劃了多個大型可再生能源項目，其中“天基太陽能”發電站格外引人注目。英國弗雷澤-納什（Frazer-Nash）咨詢公司在一份報告中指出，這項工程耗資170億英鎊，將于2040年左右在地球同步軌道上建成一個直徑1.7千米的天基太陽能發電站，搭配一個長13千米、寬6.7千米的地面接收設施，為英國提供20億瓦的電力。

其實，近些年許多國家都已經在進行天基太陽能相關的構想甚至探索。美國從20世紀70年代起就已開始關注空間太陽能工程的可能性，并在最近十多年啟動了具體研究，至2020年完成了有關的太陽能組件和電力轉換系統的測試。

中國早在2010年就有多名院士提出了天基太陽能的相關設想，并且在2018年12月啟動了兩個不同的太空太陽能項目。就在2022年3月中旬，重慶璧山建成了我國首個太陽能電站實驗基地的實驗樓主體工程。根據計劃，我國有望在2035年前獲得一個能夠正常運行的天基太陽能系統。

是遠景，不是夢

近日，聯合國政府間氣候變化專門委員會在第六次氣候評估報告中警告，將全球升溫控制在1.5℃以內的窗口正在關閉，除非全球立刻采取極端措施。可再生能源的使用是最重要的措施之一，雖然近年來全球太陽能的技術和應用都在迅速發展，但與1.5℃溫控目標的實現之間，仍有相當大的距離。好在，許多國家的政府和科研機構，都將推進太陽能的研發和應用放在了重要位置。

世界上越來越多的國家認識到一個能夠持續發展的社會應該是一個既能滿足社會需要，而又不危及后代人前途的社會。因此，盡可能多地用潔凈能源，成為挽救地球日益惡化的環境的關鍵，在這方面天基太陽能大有可為。

天基太陽能的預期非常美好，這也許是各個國家把天基太陽能項目提上議程的原因。不過，就目前的技術來看，天基太陽能的實現還面臨很多困難。

把太陽能設備送入太空，第一個挑戰就是太陽能電池板的重量。目前在地面上常用的太陽能電池板每平方米普遍重約5千克。弗雷澤-納什咨詢公司指出，雖然技術優化能夠將這一數字大幅降低，但最終建成的太陽能衛星仍將重約2000噸。照此計算，即使使用目前最強大的SpaceX獵鷹重型運載火箭，也需要大約75次發射才能將所有電池板模塊運抵軌道。根據近年的價格數據估算，這將帶來超過110億美元的發射成本。

位于璧山高新區的無線能量傳輸及環境影響科學工程項目的效果圖（圖源：璧山高新區）

天基太陽能的設備在地球同步軌道搭建完成后的運行過程，也面臨著一些實際挑戰。以太陽能電池板為例，在太空環境中，太空垃圾、宇宙碎片等，很可能會以高速撞擊電池板，對面板造成不可逆的損壞。另外，在沒有大氣層保護、地球磁場保護也很弱的地球同步軌道，電池板還面臨著太陽風和高能宇宙射線的不斷轟擊，這會導致面板的分解速率遠遠高于地面，使用壽命明顯降低。

收集到太陽能后，如何將電力有效地傳輸到地面也是一個難題。一方面，遠距離無線電力傳輸的效率目前還只能達到1%的數量級。另一方面，如何規劃占地面積巨大且對氣候條件有所要求的接收設施，也是一個需要解決的政策問題。

當下的困難，也許就是明天的便利。盡管困難重重，但是我們仍然可以預見，隨著技術的進步，天基太陽能工程將變成可能。事實上，近些年天基太陽能的相關技術已經有了很大的發展。

一些國際團隊的研究已在近年實現了單位面積重量比過去低一個數量級以上的輕質太陽能面板，可用于空間部署。而相同質量載荷的發射成本也在不斷降低。以SpaceX可重復使用版本的獵鷹重型火箭為例，可重復使用發射的單次成本僅為一次性火箭的2/3，這個比例在未來還有希望進一步降低。中國的可重復使用火箭也正在研發之中，預計首次發射將在2025年內進行。可以預見，這些技術在未來10年的進一步發展，將使得太陽能設施的空間部署成本大大降低。

同樣，電力遠距離傳輸的技術也有望進一步發展，不但電力傳輸效率有著數量級上的提升空間，收發設施的規模和成本也可通過天線和電路等的改良得到優化。就在幾年前，有國外媒體報道，日本三菱公司的科學家在能量無線傳輸方面取得突破，成功利用微波傳輸1.8千瓦電量——足以滿足一個電熱水壺的用電需求。雖然傳輸距離還很短，只有55米，但這項技術為打造天基太陽能系統鋪平了道路。日本宇宙航空研究開發機構的發言人表示，利用微波傳輸太陽能的衛星將安裝陽光收集板和天線，可部署在距地面大約3.6萬公里的高度。這項技術距離實際應用還有幾十年時間，也許在21世紀40年代或者更晚。

至此，可以大膽預測，未來基于石墨烯、納米材料等發展的“太陽能膜”的質量將減輕到目前“太陽能板”的零頭；太陽能發電介質的能效提高20%～30%；如果向金星軌道方向推進天基太陽能基站，使其更靠近恒星，所獲得的“太陽常數”將更高，其單位面積發電效能提升10倍。所以天基太陽能可以說是遠景，不是夢。

技術進步的推手

天基太陽能，本身或許最終可行，也或許不可行；或許能在10年內成為現實，也或許20年后的技術都仍不足夠；或許會成為全球能源結構中的重要部分，也或許只能為整個地球提供電力供應中的一小部分。但不可否認的是，天基太陽能項目的推進，必將帶來長遠的技術進步及更多的益處。

從天基太陽能工程本身的發展趨勢來看，未來的發電效益不容小覷。以英國的2GW衛星作為參照，假如研發者能夠將傳輸效率提高至10%，且能夠不間斷運行太陽能系統，功率就將達到20吉瓦，全年發電量將達到1750億千瓦時，相當于1.5個三峽水利樞紐（根據三峽集團年報，2020年三峽總發電量為1118億千瓦時）。

各個國家開始對天基太陽能發電付諸行動

從天基太陽能項目涉及的具體技術來看，遠距離大功率輸電的研發成果，也能在其他許多領域發揮作用。例如，“遠距離無線充電”技術目前只在一些科技公司的概念產品中出現，并且僅限于較低功率，可遠距離大功率微波輸電技術的研究者們已經開始使用微波無線電力傳輸系統為無人飛行器、孤島甚至衛星供電。除了無線輸電以外，天基太陽能涉及的其他技術，也一樣能在許多科學和工業領域大顯身手——半導體、光伏、航天器模塊在軌組裝、可重復使用火箭等技術，正是各個學科和領域的焦點項目。

這樣的大型項目對社會的科學影響也將是廣泛而長遠的。弗雷澤-納什咨詢公司的報告指出，天基太陽能工程的推行將在吸引全球學者、促進前沿領域國際合作、激發年輕學生對科學技術的熱情、促進科學技術商業應用等諸多方面產生難以定量且持久廣泛的回報。

中國的空間太陽能試驗項目同樣沒有忽視這一點。重慶璧山空間太陽能電站實驗基地，提供了先進全面的試驗設施。除了實驗大樓外，百米尺度的微波試驗塔、大型能量波束測量天線陣、激光實驗臺、空間綜合環境模擬試驗裝置、電磁生物學效應實驗平臺等將為研發工作提供全面保障。項目還與宇航學會一同在璧山建設了科普培訓基地，將在未來舉辦高水平的培訓和技術競賽，激發青少年和公眾的科學興趣。

天基太陽能，作為一個集航天、能源、半導體等諸多領域于一身的大型項目，其促進跨學科研究、吸引國際合作、推動研究成果商業化的能力，一定是國家科技發展的重要“電力”；其激發科技熱情、傳播科學精神、啟迪科學智慧的價值，更是這個世界不斷變革、戰勝過去、走向未來的珍貴“能源”。

（內容轉載自《科學家》2022年5/6期。）