從太空取能

阿　茂

將太陽能電池板放在地球大氣層外的發(fā)電效率相當于它在地面平均水平的20倍，人類或許可以利用這種能量來解決目前的能源問題

太空太陽能電站的設想如果真能實現(xiàn)，那將是太空工程之最——這個跨越幾千平方公里的太空發(fā)電站將會是迄今最宏偉的軌道建筑物，矮小的國際空間站和它比起來就像是摩天塔腳下的鐵皮小屋。

雖然這個工程甚是浩大，但這種在太空建造太陽能電站的想法卻很簡單，即：將碩大的太陽能電池板吊裝在與地球相對位置不變的軌道(即同步軌道)上，然后將它們所接受的能量以強烈的激光或微波束形式發(fā)射回地球，然后再將這些能量轉換為電能加入電網。

這個辦法可以降低我們對石油的依賴，從而減少溫室氣體二氧化碳的釋放。這種波束能無需借助昂貴的傳輸線路就可以直接給一些偏遠的地區(qū)送電，甚至可以給戰(zhàn)地士兵提供即時需要的電力。也許有一天，這種波還可以用來給新一代的飛船供能，或者幫助我們控制天氣。

人類太空發(fā)電的夢想已經出現(xiàn)了有幾十年，但是直到現(xiàn)在，它依然被認為太過昂貴而無法實施。但是能源的價格在飆升，燃料供給的安全性已成當務之急。今年5月在麻省理工學院召開的會議上，科學家討論了太空太陽能是不是一個值得再提的想法。與此同時，一個由五角大樓組織的研究小組已經評估了其軍事上的益處。而在日本，一個研究太空太陽能投資的10年項目已經獲得了230萬美元的實驗基金。

或許，這個概念的實施時代已經來臨。

巨型發(fā)電機

在太空建造發(fā)電站的想法最早是1968年由美國馬薩諸塞州坎布里奇一個叫做阿瑟D?李特的咨詢公司的工程師彼特?格拉塞提出來的。他認為我們可以利用軌道太陽能電池板獲得能源，然后將它們轉變?yōu)槲⒉òl(fā)射回地球。格拉塞設想巨大的太陽能電池板陣列大概要占用50平方公里的面積，每個電池板要產能幾千兆瓦。屆時，成百的宇航員將在太空居住，他們像建筑工人一樣勞作，組裝、維護有一半曼哈頓島面積的結構。

在格拉塞的設計中，在太陽能電池板朝向太陽的時候，1公里長的微波天線把能量束射回地球。地面的接收天線也龐大無比，甚至造價更為昂貴，占地面積超過100平方公里。

如果這一特大項目得以實現(xiàn)，收益是顯而易見的。將太陽能電池板放在地球大氣層外的發(fā)電效率相當于它在地面平均水平的20倍，這種太空裝置不會因為大氣吸收、晝夜循環(huán)和云層覆蓋而遭受損失。在36000公里高的同步軌道，即使其下面的地球陰云密布，面對太陽的衛(wèi)星，其每一平方米也都幾乎能連續(xù)地接收到1360瓦的太陽能。

根據日本宇宙航空研究開發(fā)機構(JAXA)高級使命研究中心主任森政弘的說法，這種效率意味著即便考慮到建造這個系統(tǒng)所需要的能量，一個太空基礎的太陽能發(fā)電站還是能比在地球上占用同樣面積的太陽能電站多產能6倍。

美國的冷淡和日本的熱情

上世紀70年代，美國宇航局(NASA)和美國能源部對太空基礎的太陽能電站進行調查，他們的結論是這在技術上是可行的，但是過高的造價使之無法成功——這個計劃需要幾十倍于當年第一次衛(wèi)星上天的資金。

約翰?曼金斯曾是前NASA負責太空太陽能發(fā)電站的研究主管，現(xiàn)在通過自己在維吉尼亞的公司把時間都花在為太空太陽能做拉拉隊隊長的職務上。他指出，有3個關鍵的進展可能會將太陽能衛(wèi)星的體積和造價減少到接近現(xiàn)實的水平：首先，太陽能電池將太陽能轉變?yōu)殡娔艿男室呀浭?0年前的4倍，因為這個改進，太陽能電池板的面積已大大縮小；其次，現(xiàn)在束射技術也已經改進，利用固態(tài)裝置已經可以將微波束電子化，而不必再借助回轉天線了，小型的、有標準件和容易組裝的天線可以替代原先那種高達1公里的巨型天線了；最后，現(xiàn)在的機器人足以從事很多復雜的安裝工作。

這些進展有的是在1995年提出的，是在一個由NASA授權，叫做“新觀察”的可行性研究中提出來的。雖然這個研究發(fā)現(xiàn)了有利的前景，NASA卻并沒有繼續(xù)這個項目，而是在2001年取消了其研究基金。根據曼金斯的說法，這個決定是受到了一些政府官員的觀點影響，他們認為研究新能源不是NASA的分內工作。與此相似，美國能源部對太空技術也沒有表現(xiàn)出很高的熱情。

而在日本，情況卻完全不同。上世紀80年代，日本就已經在幾個大學開展了對這一理論的研究，國家在這個項目上將陸續(xù)投資1200萬美元。該研究由森政弘領導，JAXA和日本經濟、貿易和工業(yè)部共同出資。經過大約10年的奮斗，現(xiàn)在其初期試驗工程已近完成。森政弘說，太空太陽能對這個國家的未來是關鍵的，日本是一個自然資源很少，并大量依賴外來能源的國家。而這種太空太陽能系統(tǒng)是惟一能滿足日本未來需要的大規(guī)模、穩(wěn)定、國立和清潔能源的選擇。

森政弘的目標是創(chuàng)建一個耗資10億美元以下，發(fā)電10億瓦特的設計，成本是每度電7美分到8美分，相比之下，燒煤的火力發(fā)電價格是每度電5美分，核電的成本是每度10美分；森政弘的設計包括兩個太陽能聚能鏡，可以把周圍2.5到3公里的太陽光聚集在兩個直徑1.25公里的太陽能電池板上。這些太陽能被連接到一個直徑1.8公里的微波發(fā)射器上，這個裝置把能量束射到地面接受站。森政弘認為，這個系統(tǒng)可在2030年建成。

神戶大學和東京大學的無人宇宙實驗自由航空器研究所(USEF)也一直在從事這一競爭。他們把注意力集中在減少飛行器重量和削減發(fā)射成本、以及改進太陽能電池的效率和開發(fā)利于發(fā)熱的硬化電池上。

去年，神戶大學和東京大學的另一個研究小組把一個簡單的概念付諸實驗。他們把一個衛(wèi)星發(fā)射到離地210公里的小軌道飛行高度，配置了一個130平方米的網，這個網實際上是用蜘蛛網制成的，它與一個微波發(fā)射器連接，可以將能源束射回地球。此項實驗是成功的，但全部的研究結果尚未公開發(fā)表。

更多的爭論

對于美國國家安全太空辦公室(NSSO)來說，太空太陽能的吸引力就在于它可能有軍事應用價值。今年，這個部分歸屬于五角大樓，由空軍中校麥克爾?郎?史密斯負責的辦公室接受了一項調查太空太陽能的任務。雖然史密斯沒有資金進行正式調查，但是他招募來一組學術界和工業(yè)界的志愿者專家，通過博客和論壇參加在線討論。最終他們在今年9月美國科羅拉多州召開了會議，拿出了一份報告。報告建議美國政府在未來的10年中花費100億美元研制能夠為地球束射10兆瓦能源的小型衛(wèi)星。如果該項目成功，將誘使私人企業(yè)參與并開發(fā)此項技術。

太陽能衛(wèi)星將處在一段狹窄的微波區(qū)段上，這樣就讓任何在該衛(wèi)星視線范圍內的軍事基地都可以成為接收目標。一種可能就是戰(zhàn)地士兵可身穿接收天線吸收微波，然后給他們身上的電子設備充電。即便這種應用永遠不能實現(xiàn)，向地面束射也將成為一種劃算的、為一些遙遠的軍事基地提供的可供選擇的發(fā)電方式，其成本將為每度1美元，大約是目前民用電價格的10倍。麻省理工學院的航空系統(tǒng)工程師奧利維爾?德威克說：“這是我所聽到的最早的實際應用。”

參與起草NSSO報告的官員重復說，軍方想成為太空太陽能的一個“客戶”，而不是自己去研究它。報告還提出了成立監(jiān)管該項目的新政府機構的可能性，但是，卻沒有指出如何籌集資金。

在政府的圈子里，對太空太陽能的熱情是受限制的，人們不會對即將出版的麻省理工學院的會議報告懷有太大希望。NASA格林研究中心的杰夫?蘭迪斯是與會者之一，他指出：“總的結論是，如果我們再做出一些突破，這個項目就是可行的。”他認為兩個領域是關鍵：一個是太陽能電池的容量從現(xiàn)在的每公斤400瓦提高到每公斤1000瓦；再一個就是降低太空發(fā)射成本，把它從今天的每公斤20000美元降低到每公斤500美元。

其他的問題更難處理。羅格?安琪爾是亞利桑那大學的太陽能狂熱者，他也參加了麻省理工學院的會議。他說：“你要思考的是，上天獲得了什么，又失去了什么，除了儲存和傳輸的問題，這里還有一個相當巨大的成本價格。”他認為在地面上我們可以獲得比太空更便宜的太陽能。

德威克正在關注利用集中光束能的安全問題。他說，“它可能是危險的，我們并不知道如果飛機誤飛入這樣的高能光束，后果會怎樣？假如一個故障引起束能位移，這些高能波照到人多的地區(qū)又該怎么辦？這些都是足以毀掉這個項目的疑問。”

麻省理工學院的建議似乎是很有影響力的，假如這些建議被肯定，太空太陽能將重返議事日程，如若不然，這個被議論了40年的理論或許又將再度被束之高閣沉寂幾十年。