開拓太陽能利用新疆界

張唯誠

太空中的衛星、飛船、空間站等航天器，多是由太陽能電池板提供能量的。比如“神舟”系列飛船入軌后，太陽能電池板像一雙翅膀一樣展開，保證飛船的正常飛行；“鳳凰號”探測器登陸火星后，兩扇太陽能電池板將為其為期三個月、但極有可能時間更長的探測活動提供充足的動力。當一艘航天器在地球附近活動時，它離太陽很近，陽光充足，這時使用太陽能是沒有問題的。然而，當它飛得更遠，遠到接近甚至超越陽光照射的疆界之外，該如何利用太陽能呢?

一艘航天器的行程如果超越了火星，太陽可以提供的能量就十分有限了。“旅行者1號”的行程持續了30年，它幾乎越過太陽系的所有行星來到了太陽系的邊緣。在寒冷、黑暗、空寂的太空中，太陽的影響已經結束，從那里看太陽，太陽的亮度比我們從地球上看到的暗淡7000倍，僅僅相當于天空中一顆明亮的星星而已。由于太陽能電池已經無法使用了，“旅行者1號”的能源來自早期的放射性同位素熱電式發電機。

1990年10月，“尤利西斯號”探測器被美國“發現號”航天飛機送入太空，它的任務是研究太陽的兩極。為了更好地觀測太陽，“尤利西斯號”必須飛臨木星，在靠近木星的時候，太陽光變得極其微弱，只相當于地球附近的1/25。在這種情況下，太陽能電池板要想獲取足夠的能量便必須重達545千克，“尤利西斯號”的重量也因此要增加一倍，這將給舫天飛機的助推器增加極大的負擔。“尤利西斯號”同樣沒有使用太陽能，而是依靠一臺放射性同位素熱電式發電機，它只有56千克。

國際空間站上的太陽能電池是多年以前的產品，它能將14％的陽光轉變成電能，而現在的太陽能電池則可以是多帶隙的，能將陽光中不同光譜中的光能轉化成電能，其效率達到30％，使用這種太陽能電池，航天器可以飛得離太陽更遠。據科學家計算，假若在距太陽1個天文單位(指地球到太陽的平均距離，約1.5億千米)時，每平方米太陽能電池板所產生的電能為400瓦，那么超過木星后，要產生同樣的電能，太陽能電池板就需要25平方米，而到達冥王星后，這個面積則要增加到近2000平方米。

航天科學家正在千方百計地延伸太陽的疆域，他們認為，只要想辦法充分吸收陽光，最大限度地利用太陽能，航天器就能僅僅依靠陽光的驅使飛向更加遙遠的太空。他們的方法包括研制更有效率的太陽能電池，使用激光，在月球和火星上安裝太陽能裝置等等。

今天，就航天器而言，所謂“太陽的疆域”大致可延伸到距太陽4個天文單位的地方，那里已經越過了火星(1.5個天文單位)的軌道，但離木星(5.2個天文單位)還有些距離，那里的陽光強度只相當于地球上陽光強度的1/16。不過使用最新的科技，科學家有望將太陽的疆域擴展到外太陽系。

未來的太陽能收集器可以使用一種先進的薄膜，讓太陽能電池變得非常輕便，整個裝置的面積可以做得非常大。不過同時它們也更容易成為太空塵粒攻擊的目標，所以如何防范太空塵粒的攻擊又成了一個新的挑戰，科學家正在研制一種有自動修復功能的材料，例如一種聚合體材料，它的特殊本領是能像皮膚一樣自動地愈合。這種以環氧樹脂為主體的材料內部遍布著一個非常細微而又相互連通的網絡管道系統，里面充滿低黏性的愈合劑。當材料發生破損，管道中的愈合劑便會在毛細管作用的推動下實施滲透，一旦它們來到破損的地方，遇到環氧層中的催化劑粒子，破損處便開始聚合，破損的地方便自動愈合了。另一種自愈合材料是一種高聚物，當破損發生時，它的反應便是立即自動聚攏。這類材料雖然還處在研制階段，但一旦技術成熟，它們的應用前景將十分可觀。面積巨大的光電池板如果得到實際的應用，陽光的邊界自然要向外延伸了。

1999年2月9日，“星塵號”彗星探測器發射升空，2004年1月2日，這顆探測器飛越維爾特二號彗星，這時它距太陽2.27個天文單位，在這樣的距離使用太陽能在當時是一個新記錄，然而它的太陽能電池系統工作得非常好，光電轉換的效率超過了科學家的預計。另一顆引人注目的探測器是“深空一號”，它的能量來自一個先進的太陽能集電器，它由太陽能電池和一個聚焦陽光的鏡片矩陣組成，720個鏡片將陽光聚集在3600個太陽能電池上，23％的陽光被轉化成了電能。“深空一號”使用離子引擎，在太陽能電池的驅動下，離子引擎全速運轉一天，“深空一號”的速度就增加25～32千米/小時。

基于“深空一號”的成功，一艘名為“黎明”的航天器也于2007年9月27日離開了地球。它的目標是位于火星和木星之間的灶神星和谷神星。在黎明號上，電力來自兩個巨大的太陽能電池板，當這個太陽能電池板收攏時，黎明號只有2.36米長，而當它展開后，黎明號的最長尺寸可達到19.7米。盡管灶神星和谷神星距太陽的距離比火星距太陽的距離還要遙遠，但這對寬闊的太陽能電池板依然能提供足夠的電力，保證黎明號長途奔行50億千米完成探測任務。隨著推力的逐漸積累，這艘探測器在出發一年后，其飛行速度可達到9萬千米/小時。

[責任編輯]龐云