小到空間站的建設(shè)
大到月球探測、火星移民
有充足的供電是基本條件
太空電站：解決人類能源危機(jī)的終極出路？
本刊記者/霍思伊
發(fā)于2021.8.2總第1006期《中國新聞周刊》
有沒有一種“一勞永逸”的辦法，可以徹底解決人類的能源危機(jī)？
地球上所有的能源都來自太陽，無論是煤炭、石油、天然氣等化石能源，還是水、風(fēng)、太陽能等清潔能源，都與太陽有關(guān)。化石能源帶來大氣污染且很快將耗盡，風(fēng)、光和水能并不穩(wěn)定，實(shí)際發(fā)電量占比僅為23.6%。在大規(guī)模儲能技術(shù)取得重大突破之前，僅依靠可再生能源提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供給也不現(xiàn)實(shí)。
那么，可不可以在太空建一座電站，直接吸收太陽能并轉(zhuǎn)化成電能，再傳輸?shù)降厍颍窟@就是“空間太陽能電站”（簡稱“太空電站”）。中科院院士葛昌純于2021年5月撰文指出，空間太陽能電站與可控核聚變電站被認(rèn)為是兩種最有可能的終極能源解決途徑。但可控核聚變目前仍處于基礎(chǔ)科學(xué)研究有待突破的階段，而空間太陽能電站不存在基礎(chǔ)科學(xué)問題，雖然工程規(guī)模巨大，但相關(guān)技術(shù)經(jīng)過持續(xù)研發(fā)是能夠在一定時間內(nèi)取得重要突破的。他預(yù)計(jì)，在本世紀(jì)下半葉，中國將會形成空間太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)，成為中國能源基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。
西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)的試驗(yàn)塔，用于在地面全鏈路演示段寶巖團(tuán)隊(duì)獨(dú)家設(shè)計(jì)的OMEGA方案。圖/受訪者提供
眼下，中國正朝著這一目標(biāo)邁出第一步。2021年6月18日，在重慶市西邊的璧山區(qū)福祿鎮(zhèn)和平村，璧山空間太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地宣布正式開工建設(shè)。很快，一個50~300米高的浮空平臺將從璧山升起，這是一個中小規(guī)模的氣球陣，科學(xué)家們會嘗試先從這個高度往地球輸電，下一步則是平流層，距離地面有22公里。
到太空去逐日
太陽輻射在穿過地球大氣層時，可能遭遇云、霧、雨、雪等各種天氣現(xiàn)象，云層會反射大部分太陽光，因此長年多云的地區(qū)可接收到的太陽能總是不足，這就是大氣對太陽能的衰減作用。
因此，和地面太陽能電站相比，太空電站的最大優(yōu)勢是它的穩(wěn)定性。中國工程院院士、重慶大學(xué)通信與測控研究所所長楊士中指出，由于大氣層衰減，地面太陽能電站可產(chǎn)生的電力有限，有很明顯的區(qū)域差異。比如，在日照充足的中國西北地區(qū)，一平方米的光伏電池可產(chǎn)生0.4千瓦電力，在霧都重慶，僅為0.1千瓦。但在距離地球表面約3.6萬公里高度的地球同步軌道上，發(fā)電功率可高達(dá)10千瓦~14千瓦。在太空中，既可以完美避開大氣層的衰減，也不受晝夜、季節(jié)影響，99%的時間內(nèi)可以穩(wěn)定地接收太陽輻射，可以全天候大規(guī)模發(fā)電，發(fā)電效率是地面的幾十倍。
太空電站的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種，相較而言，微波的能量傳輸效率更高，云層穿透損耗低，安全性較好，且技術(shù)相對成熟，因此，現(xiàn)行方案多以微波傳輸為主。
1968 年，美國彼得·格拉賽博士首次提出太空電站的構(gòu)想。整個20世紀(jì)70年代，美國政府投入了約5000萬美元對此進(jìn)行研究，直到1979年，設(shè)計(jì)出全世界第一個具體的概念方案，名為“1979-SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”。在當(dāng)時的全球石油危機(jī)大背景下，美國宇航局（NASA）與能源部是以21世紀(jì)全美一半的發(fā)電量為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)劃在地球同步軌道上部署60個發(fā)電能力各為5GW（百萬千瓦）的太空電站，整個系統(tǒng)算下來共需要2500億美元。
西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)的試驗(yàn)塔，用于在地面全鏈路演示段寶巖團(tuán)隊(duì)獨(dú)家設(shè)計(jì)的OMEGA方案。圖/受訪者提供
方案一出，就引發(fā)巨大爭議。美國國家研究委員會和國會評價委員會的評審認(rèn)為，該方案技術(shù)上可行，但經(jīng)濟(jì)上無法實(shí)現(xiàn)。此后數(shù)年，由于難度大、效率低、成本高，美國對此的研究曾一度停滯。但從2007年起，美國國防部國家安全空間辦公室成立了空間太陽能電站研究組，認(rèn)為太空電站可以為遠(yuǎn)程基地供電，在軍事上有很大的潛在需求。
2011年，國際宇航科學(xué)院（IAA）發(fā)布了首份對太空電站可行性和前景分析的國際評估報(bào)告，報(bào)告的主要撰寫人之一、曾在NASA負(fù)責(zé)太空項(xiàng)目多年的約翰·曼金斯在報(bào)告發(fā)布會上自信地說：“最終，學(xué)院的判斷是空間太陽能電站不僅在技術(shù)上是可行的，并且在未來30年內(nèi)也會在經(jīng)濟(jì)上可行。
日本在微波無線能量傳輸技術(shù)的研究上一直處于世界領(lǐng)先水平，因此在發(fā)展太空電站上有天然優(yōu)勢，是第一個將開發(fā)商業(yè)化太空電站正式列入國家航天計(jì)劃的國家。2017年，日本公布了最新的發(fā)展路線圖，要在2050年建成商業(yè)化太空電站。
然而目前，除日本2015年3月在兵庫縣進(jìn)行過一次無線供受電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)外，在全世界范圍內(nèi)，只有中國真正進(jìn)入地面驗(yàn)證階段，而其他國家還停留在概念構(gòu)想階段。
楊士中是璧山項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)人。他對《中國新聞周刊》指出，太空電站的關(guān)鍵，在于將電從太空以無線的方式穩(wěn)定地傳輸?shù)降孛骐娋W(wǎng)，因此，大功率、遠(yuǎn)距離無線傳能技術(shù)的突破是一個必須跨越的難關(guān)，比如傳輸效率是否足夠大，波束是否指向規(guī)定的接收口徑，讓誤差盡可能縮小。這些技術(shù)都要先在浮空平臺上做試驗(yàn)，為今后真正的太空電站打下基礎(chǔ)。璧山項(xiàng)目占地約200畝，總投資約26億元，目前到位投資為1億元。
“我們每次發(fā)射一顆新的衛(wèi)星，都要先在高空的氣球或飛機(jī)上測試，也借此把一些技術(shù)問題、科學(xué)問題研究明白，然后再用火箭把衛(wèi)星打上去，璧山實(shí)驗(yàn)的作用也是如此。”楊士中解釋道。
與此同時，在西安電子科技大學(xué)的校園內(nèi)，由該校教授、中國工程院院士段寶巖組成的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行最后的調(diào)試。段寶巖是中國天線方面的頂尖專家，此前曾負(fù)責(zé)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的總體設(shè)計(jì)。和璧山浮空平臺的功能類似，西電在校內(nèi)架起了一個75米高的支撐試驗(yàn)塔。
段寶巖對《中國新聞周刊》介紹，試驗(yàn)塔上安裝了聚光鏡、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和發(fā)射天線，可以在50~60米的高度上向地面進(jìn)行無線傳輸，目前已經(jīng)基本建成。這就是西電“逐日工程”的一部分，它在2018年12月，與璧山項(xiàng)目同時啟動。
航天與能源領(lǐng)域的曼哈頓工程
中國對太空電站的正式研討始自2006年。當(dāng)年7月，中國航天科技集團(tuán)公司組織進(jìn)行了一場概念研討會。曾參加會議的中國空間技術(shù)研究院（五院）的一位太空電站專家對《中國新聞周刊》回憶說，最早是國內(nèi)的一家民營企業(yè)、來自山西的普蘭德電力技術(shù)有限公司注意到了這件事，向國防科工局提交了相關(guān)提議。領(lǐng)導(dǎo)層很重視，將其交給中國航天科技集團(tuán)作初步研究和評估，很快，就有了上述研討會。
西安電子科技大學(xué)校園內(nèi)的試驗(yàn)塔，用于在地面全鏈路演示段寶巖團(tuán)隊(duì)獨(dú)家設(shè)計(jì)的OMEGA方案。圖/受訪者提供
經(jīng)過前期多次的調(diào)研與論證，2014年，中國太空電站的發(fā)展規(guī)劃及路線圖出爐，分為兩大步和三小步：在2030年左右先建設(shè)一個兆瓦級（1兆瓦）的小型太空電站，到2050年再擴(kuò)展升級到GW（百萬千瓦）級，也就是兆瓦級的1000倍。
構(gòu)想中的太空電站距離地面的高度達(dá)到3.6萬公里，位于地球的同步軌道（GEO）上，屬于高軌道。而大多數(shù)衛(wèi)星、空間站都在近地軌道上，比如國際空間站一般在距地表300多公里的軌道上飛行，太空電站的高度是空間站的100多倍。在這樣絕無僅有的高度上進(jìn)行能量傳輸，挑戰(zhàn)非常大。
前述五院專家指出，空間太陽能電站是一個非常龐大的系統(tǒng)工程，其重量、尺度方面遠(yuǎn)超現(xiàn)有航天設(shè)施，因此人們將其稱為航天與能源領(lǐng)域的“曼哈頓工程”。一個小型的兆瓦級電站的重量，就已經(jīng)比現(xiàn)在大多數(shù)的國際空間站要大，還要考慮到在軌組裝的難度，和空間站的建設(shè)相比，根本不是一個量級。一個空間站也就由幾個艙段構(gòu)成，在組裝時太空機(jī)械臂就可以實(shí)現(xiàn)，接口的控制也不須考慮過多。但太空電站需要組裝大量的模塊，組裝時不能再采用現(xiàn)在的空間自主交會對接方式，未來，需要設(shè)想一套新的空間組裝系統(tǒng)，盡可能讓接口簡化，也需要大量的空間機(jī)器人參與。
“想象一下數(shù)千個模塊被發(fā)射到天上，先進(jìn)入低軌，再推進(jìn)到高軌，然后釋放，再組裝，整個過程的復(fù)雜程度肯定遠(yuǎn)超我們的想象。”他說。
根據(jù)路線圖，在建設(shè)兆瓦級的第一階段，具體分三步走，先進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證，也就是璧山項(xiàng)目與西電的“逐日工程”正在進(jìn)行的工作，其次是進(jìn)行高空超高壓發(fā)電輸電驗(yàn)證，最終進(jìn)行空間無線傳能試驗(yàn)。
多位受訪專家對《中國新聞周刊》都表示，目前，日本、美國和中國等國都計(jì)劃在2050年前后實(shí)現(xiàn)“逐日”，但由于所需資金巨大，在第二階段，是否能按期完成計(jì)劃還有待觀察。
“從技術(shù)本身而言，沒有卡脖子的制約要素，關(guān)鍵在于大家有沒有信心、愿不愿意去投入。如果加大投入的資金，也有可能提前完成計(jì)劃，但根據(jù)目前的進(jìn)展來看，可能會延遲一些。”五院的專家這樣說。
從APLHA到OMEGA
在西電校園內(nèi)，一座巨大的三角形塔平地而起，周圍的教學(xué)樓在其映襯下顯得格外“低矮”。在塔的中心，距離地面55米高的地方，有四個半球面的聚光裝置，每個直徑約6.7米，這是聚光式太空電站的核心。當(dāng)太陽光射入球形反射面上后，會匯集到一個固定的聚光區(qū)，再打入光伏電池并產(chǎn)生直流電，隨后轉(zhuǎn)成微波，通過發(fā)射天線傳輸?shù)降孛妗?/span>
這是段寶巖團(tuán)隊(duì)獨(dú)家設(shè)計(jì)的OMEGA方案在地面的全鏈路演示過程。
自美國設(shè)計(jì)出“1979-SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”之后，國際上已經(jīng)提出了幾十個不同的太空電站概念方案，可以分為非聚光式和聚光式兩大類型。最早的1979方案是經(jīng)典的非聚光式，即照射過來的太陽光即時被轉(zhuǎn)化成電能，再轉(zhuǎn)成微波發(fā)射出去，但這個過程中，最大的難點(diǎn)是如何同時實(shí)現(xiàn)“兩個定向”，即在轉(zhuǎn)動中，電池陣必須一直對著太陽，發(fā)射天線始終對地，就像衛(wèi)星一樣。
前述五院專家解釋說，由于太空電站的體量太過龐大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這么大的質(zhì)量，要讓它轉(zhuǎn)動起來滿足“兩個定向”，同時還要傳電，這對于總體控制系統(tǒng)的要求極高。
約翰·曼金斯提出了ALPHA方案（示意圖）
近年來，聚光式太空電站成為國際上的研究熱點(diǎn)。2012 年，約翰·曼金斯提出了ALPHA方案，全稱是“任意相控陣空間太陽能電站”，整個結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成一個“酒杯”，通過“酒杯”杯身內(nèi)部弧形反射面的設(shè)計(jì)，使射入光集中到底部的三明治結(jié)構(gòu)上，在這里，太陽能電池陣、電力傳輸與管理系統(tǒng)，以及微波發(fā)射天線三部分被集成為一體。現(xiàn)在，太陽電池陣和天線集成在一起的三明治結(jié)構(gòu)始終對準(zhǔn)地面，不用再轉(zhuǎn)動，只需要將聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可以調(diào)整的結(jié)構(gòu)即可，但這一設(shè)計(jì)也將非常復(fù)雜。
前述五院專家認(rèn)為，聚光式方案目前雖然很熱，但綜合技術(shù)難度更大，相比之下，非聚光式方案更有現(xiàn)實(shí)可行性，只需要解決大功率導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的技術(shù)難題，對此，五院已布局展開相關(guān)研究。
但在段寶巖看來，非聚光的最大問題是效率較低，因此，聚光式方案將會是未來的發(fā)展方向。今年內(nèi)，他們團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)會完成OMEGA的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，如果驗(yàn)證通過，在傳輸效率和功質(zhì)比上都有不錯的數(shù)據(jù)，下一步，就是考慮如何將它“升空”。
中科院院士、“兩彈一星”元勛王希季曾有一個論斷：發(fā)展空間太陽能電站將帶來前所未有的、影響深遠(yuǎn)的改造客觀世界的重大變革。在解決能源問題之外，多位專家指出，研發(fā)太空電站更重要的意義是可以帶動整個航天領(lǐng)域空間技術(shù)的全面進(jìn)步，比如在軌大型結(jié)構(gòu)制造能力、人類利用空間能力，以及具有非常多應(yīng)用場景的微波傳輸能力。
前述五院專家指出，小到空間站的建設(shè)，大到月球探測、火星移民，有充足的供電是基本條件。太空電站建成后，對人類開發(fā)太空也將起到巨大幫助。
