太空太陽能發電有望成為未來能源之星

科技日報 記者 徐玢

當世界各國都在為煤炭、原油和全球變暖焦頭爛額時，聯合國氣候大會中規模最小的一次會議正在展望解決能源問題的可能途徑。會議上，各國專家提出了許多奇思異想，例如種植海藻來吸收二氧化碳等。
其中，有一個想法格外引人注目，是因為它竟贏得了美國五角大樓這樣一位重量級的支援者。
　　2007年10月，美國五角大樓國家安全太空辦公室(NSSO)悄然推出一份研究報告，建議美國政府在未來10年投入100億美元建造一顆能將10兆瓦太陽能傳回地球的試驗衛星，併為下一步的私人參與開發此技術提供經濟激勵。這就是被稱為太空太陽能發電站的研究項目。從20世紀70年代起，人們就寄望它能為人類提供“價格合理、清潔、安全、可靠、可持續和可擴展的能源”。
止步于高昂成本的夢想
　　太空太陽能發電站的想法最初在1968年由美國麻省裏特諮詢公司的工程師彼特·格拉斯提出。格拉斯設想了一個面積達50平方公里的太陽能電池板陣列，其中每塊電池板都能產生數千瓦的能量。人們用火箭將這些電池板送入地球同步軌道，並讓數百名宇航員在太空中完成組裝工作。在他的設計方案中，太空發電站的電池板能不斷調整角度以面對太陽，然後借助一個長達1公里的微波天線將太陽能傳回地球。為實現這一目標，這個巨大的天線必須安裝在萬向裝置上，使它能自由旋轉而不受陣列中其他設備的影響。地面接收天線則更為壯觀，佔地超過100平方公里。如果這個夢想得以實現，它將成為最偉大的太空奇跡，國際空間站在它面前就不過是摩天大樓前的一間玩具房子。
　　由於大氣層外沒有大氣吸收、晝夜交替和雲層遮擋，因此相同時間內，太空發電站的發電量將是在地球上相同面積太陽能電站產能的20倍。這就意味著在距地球3.6萬公里的同步軌道上，每平方公里面朝太陽的衛星都能不間斷地接收到1360瓦的太陽能，即使當地球被雲層遮擋時也是如此。
　　日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)高級任務研究中心主任森政弘說，即便將建設期間所需能量考慮進去，太空發電站產生的能量也比地面上佔地面積相同的太陽能發電站高5倍。
　　雖然太空發電站的大規模建設有望一舉解決溫室氣體排放和能源短缺問題，但美國在20世紀70年代進行了初步研究後還是放棄了這種想法，因為其建設成本高得驚人。即使在今天，僅將一顆這樣的太陽能衛星送進太空就需要1萬億美元，而在太空建發電站至少需要十幾顆這樣的衛星。高昂的成本，讓人類不得不止步。
助推夢想的技術突破
　　雖然在太空建設發電站的計劃暫時擱置，但人類探索太空太陽能的腳步卻從未止步。美國太空太陽能專家約翰·曼金斯說，近年來太陽能領域的三大技術突破可使太陽能衛星的大小和成本降到可接受的水準。曼金斯之前曾是美國宇航局的一位研究管理人員，現在他的可控能源技術公司(ManagedEnergyTech鄄nologies)則是太空太陽能領域研發的領頭羊。他解釋說，與20世紀70年代相比，如今的太陽能電池的效率提高了4倍，因此所需的電池板的面積可大大縮小。其次，微波傳送技術也大大提高，利用固定裝置就能使微波光束實現精確指向，而不再需要旋轉天線。因此可以用體積小、組裝簡便的模組天線替代原來1公里長的天線。最後，機器人可以替代宇航員在太空中完成組裝工作。
　　在日本，太空發電站的研究更加如火如荼。20世紀80年代日本的多所大學就展開了相關研究。而日本宇宙航空研究開發機構與日本經產省共同資助1200萬美元的太空太陽能十年計劃也即將結束第一階段的研究。
　　作為宇宙航空研究開發機構的一員，森政弘的目標是建設一個發電量為10億千瓦的太空發電站，並且要將建設成本控制在10億美元以下，每度電的成本也不高於8美分。與一般煤電每度5美分、核電每度10美分的成本相比，這個價格也算得上經濟實惠。為此，他設計了兩面巨大的鏡子，將太陽光聚集到兩個直徑為1.25公里的太陽能電池上，然後通過微波傳輸器將能量傳輸到地球。
　　日本神戶大學和無人太空實驗自由飛行物研究所(USEF)的研究小組則從減少衛星重量方面進行研究。他們設計的太陽能電池板只有100平方米大，並且固定在控制衛星上。雖然它不能調整角度面對太陽，但簡單的裝置使重量大大減輕，發射成本也隨之下降。研究人員說，按照這一設計，發電站在建設初期就可以開始對地面供電，而模組化的特點也使日後對它進行擴展非常容易。
　　美國國家安全太空辦公室(NSSO)則對太空太陽能的軍事用途感興趣。太空發電站傳輸回地球的微波束較為集中，因此如果給戰場上的士兵配發接收天線，他們就能隨時用微波對設備充電。另外，太空太陽能也能為邊遠地區的軍事基地提供便利。而在這些地區，傳統供電方式每度電的成本在1美元以上。
　　除適用性和實用性外，發電站的安全性恐怕是人們最關心的問題。日本麻布大學的帕特裏克·柯林斯卻認為這種擔憂毫無必要，因為一束低能微波的能量，還不如從微波爐中洩露出來的能量大。為確保安全，他建議在地面設置一個禁飛區和地面人員禁入區，用於接收從巨型衛星上傳回的微波光束。
　　成本、性能、安全問題都已大大改善，太空發電站大展身手的時刻是否已經到了呢?
令人期待的明日之星
　　隨著全球變暖和能源短缺問題日益緊迫，向太空要能源這一想法愈發顯得令人期待。日本無人太空實驗自由飛行物研究所近期的一項研究顯示，太空發電站每度電的二氧化碳排放量僅與核電相當。美國國家航太學會副會長馬克·霍普金斯也說，太空太陽能可以提供無窮無盡的能源而不必擔憂二氧化碳的問題，何樂而不為呢？美國五角大樓在2007年10月的報告中則明確指出，和“向下鑽取能源”一樣，“向上鑽取能源”的工作必須立即著手開始。
　　響應這一號召的人似乎不少。歐洲空間局已計劃在2008年2月29日召開一次太空太陽能的會議。作為太空發電站的支援者之一，美國太空島集團已與一家歐洲公共事業公司以及印度政府就未來購買衛星系統太陽能進行了“非常積極”的商洽。
　　美國的另一位企業家凱文·裏德則在2007年9月提出，帛琉群島中無人居住的海倫島是修建太空太陽能小型示範項目的理想場所。利用距地球480公里的衛星，發電站能把1兆瓦的太陽能傳回地球，供1000個家庭使用。裏德認為他的公司在未來兩年內就能開始生產超輕太陽能電池，並希望能從相關製造商獲得資金支援。他預計該項目成本約為8億美元，最早能在2012年完成。 　　而在羅伯特·肖克這位聯合國政府間氣候變化專門委員會的未來能源專家看來，太空能源並不是虛幻得像科幻小說。肖克說，委員會2007年度報告中之所以沒有提及太空能源的潛力，是因為報告只涵蓋了2030年之前的能源問題。他說：“如果下世紀初看到人類大量使用太空能源，我不會感到驚訝，或許這個時刻還會來得更早些。”