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在太空中收集太阳能
程悦/文
一个全球性的竞赛正在进行中,以挖掘来自太空中的太阳能.
美国太平洋煤电公司（PG&E）,是世界上最大的公用事业公司之一,现在这家公司史册上将增添一项非同寻常的交易.它打算购买一种微小的太阳能发电设备.但这些太阳能板并不是有序地放置在炙热的沙漠中,而是放在距地面约36000千米的地球同步轨道上.在那里,它们将收集太阳的无限能量,并把能量传送到电网.这不仅仅是梦想,而是正在进行中令人吃惊的太空太阳能项目.
这个项目已经有一些重量级的竞争者：中国在行动,旨在2020年建立太空发电站雏形；俄罗斯已经建立了小模型；日本已经推出了一个国家太空太阳能计划,打算在2030年前有“作业卫星”……这会不会代表着由能源引发的太空竞赛即将拉开序幕？
好处多多的太空太阳能
在太空中,太阳辐射要克服几大障碍才能到达地面.其中昼夜变化、云层厚度,以及大气干洁程度等障碍因素为主.即使在最晴、最长、最明亮的一天,大气散射和吸收到的太阳入射能量,也只是其原始能量的一小部分.
一旦穿过大气层,太阳能就只剩下了1/3到1/20.此外太阳辐射的减少量还取决于你所处的位置,不同经纬度,太阳入射辐射量也会不一样.
如果能把太阳能电池板放在太空之中的轨道上,以上所有问题都会迎刃而解.在那里,卫星的身上安装着一个巨大的太阳能光电组列,能收获阳光的纯能量.然后在卫星上直接转化成电能,经由巨型微波传输天线或激光将电能输回地面电网,以满足人类的用电需求.这是非常环保的清洁能源.
太空能源,未来主能量
其实,该理论是美国航空航天工程师格拉泽于1968年首次提出的.10年后,石油危机开始威胁到美国,人们开始担心如果人类未来没有化石燃料该怎么办.对此,美国宇航局和美国能源部合作,花费了约2000万美元,研究如何把在太空收集太阳能变成现实.
研究表明,能为美国整个东北部供电所需要的太阳能电池板,得有好几千米宽,重达8100万千克.在当时的技术条件下,将1千克货物发送到太空中需要花费5万美元,这意味着这样的卫星的发射成本就达到了4万亿美元.
石油危机结束后不久,这个新生的太空计划被取消了.但是,几十年来,由于人类对化石燃料储量的担忧,燃烧后导致大量温室气体排放,科学家对在太空中获得能源仍念念不忘日本就处在太空太阳能研究的最前沿.日本没有属于自己的化石燃料资源,想要利用风力和太阳能,土地面积又不足；另一方面,福岛核灾难仍然历历在目.因此,日本航天局等机构开发太空太阳能严格的规划图,轨道试验计划开始于2 02 0年,准备充分的作业卫星将在2030年传递1千兆瓦能量.
技术改善是帮手
这个项目能得到实施,部分要归功于这半个世纪以来的技术进步.以无线电发射能量为例,在1975年,美国宇航局发射了34千瓦无线电能,点亮了距离1.5千米远的一个阵列中300瓦的灯.2008年,他们在夏威夷岛上的个岛屿之间进行实验,距离增加了100倍以上.
太阳能电池也有所改善.最好的太阳能电池的最高效率悄悄从19 5 0 年代的6 %升到了如今的30%.那只是对于一个太阳而言,使用动态阵列的镜子,就能多次反射太阳光,相当于多个太阳在辐射,就能产生更多能量.如果我们能得到相当于400到500个太阳在辐射的效果,效率会提高到45%.
不过,卫星进入太空中仍然存在一个巨大的难点,那就是发射成本并没有随着时代的发展而有显著的改善.科学家目前唯一能做的只能是严格限制卫星重量—减轻每一个设备的重量,包括太阳能发电层、无线微波传输系统和航天器结构等—以降低发射成本.
但降低发射成本,不只包括重量,还包括体积.折叠设计的物体,能最大限度减少发射的体积.此外,科学家已经找到一种方法把所需要的光电层、电力-微波转换的电子设备、背地面天线等,压缩成一个轻量级的薄片,厚度小于1厘米.
最近,另一个正在进行的太空竞赛—回收火箭技术,使得火箭能重复使用,节约资金,也为太空太阳能的计划提供了基础.
成为太空太阳能的主人目前,大多数企业将获得的太空太阳能的目标只设定为1千兆瓦,这与我们现有的太阳能发电能力相比（超过1000千兆瓦）,相形见绌.但这只是开端,科学家坚信很快每个卫星可达到10千兆瓦.
科学家原计划将卫星发射到地球同步轨道上,在地球表面上空同一点徘徊,使能量的发射尽可能简单.但长久打算的话,这并不理想,因为卫星会被限制在日益拥挤的轨道上.另外,也有些人认为,将太阳能转化为电力,电力转化成微波,最后微波再转化为电力,这样多次转化使得能量效率低、浪费电力.
无论如何,太空太阳能技术即将引发新的太空竞赛,谁先成功实行这项技术,就能转变为控制清洁能源的“主人”,占领未来能源市场.
小贴士
微束会伤害动物吗？
在地球赤道上阳光最强烈的正午,照射你的能量是每平方米1千瓦.如果你站在来自太空、10千米宽的微束的中心,照射你的能量只有之前的十分之一.对于在微波频率领域工作人员,这是国际公认的安全限制,同样,其他动物也不会受到伤害.
太空太阳能传输会影响飞机的飞行吗？
没有任何一架飞机的仪器操作的频率,会和太空太阳能传输频率相同.不过,飞机穿过光束时,在飞行中乘客使用的Wi-Fi可能会受到影响.
机器人婴儿
在2017年英国伦敦科学博物馆的机器人展上,这个挂在墙上的小家伙就是展出的作品之一.这个挂壁式机器人婴儿是英国动画公司诺兰工作室的作品,它背后连接着电线,能够改变表情和做一些简单的动作.这只是一件科技含量很低的作品,但是它却告诉我们,未来“婴儿”也许就是这样生产出来的.
当然经过了500年的发展,机器人已经不只拘泥于外表像人类,而是向着如何赋予它们其他能力的反向发展,比如更智能.2017年,AI横扫棋坛,它吸引了许多人的注意,也引起了人们对人工智能机器人的恐慌.我们可以想象一下,未来的世界可能是这样的：邻居家婴儿车里的孩子大哭,你试着抱起他,结果发现他其实是个AI机器人婴儿,那场面是不是很诡异？
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