太阳能太空电站从理想走入现实

    在科技高速发展的今天，对太空的探索也越发激进。然而，当新闻传出美国一颗相当于大巴车体积的失控卫星，与地球进行了亲密接触，引起全球恐慌。

    时隔6天，中国的“天宫一号”被精准送入到预定轨道。众所周知，飞船、卫星等航天器在太空中飞行主要依靠电池提供动力，而这个电力供给主要来自太阳能电池帆翼。

    为什么要开发太空太阳能电力

    据计算，太阳向地球表面辐射的能量非常巨大，每平方米可接收1336瓦的能量，而由于受到地球大气云层的反射和吸收，中微小悬浮颗粒的散射，不同的季节和昼夜更替等因素影响，落到地表的太阳光能量每平方米只有125瓦至375瓦。

大气云层对太阳光的反射和吸收

    如果将太阳能电池板发射到空中，并组建成空间电站。那样，电池板在所有的时间里都能接收来自太阳的辐射，提高了电站的利用效率，从而降低了光伏发电的成本。因为当今地面太阳能电站备受诟病的其中一个原因就是发电成本昂贵。

    四十多年前，美国科学家彼得·格拉瑟首次提出了这种“太空太阳能电站”的设想，乍听起来，很有些小说中的科幻景象。但经过美国国家宇航局随后几十年的探索、分析和总结，2007年10月，美国国家安全太空办公室悄然推出了一份建造太空电站可行性研究的中期评估报告，该评估报告的关键点在于其“可行性”，难道那个看似天方夜谭的想法如今真的要成为现实了？

    进入21世纪，太阳能光伏产业得到迅猛发展，科学家建议：将之前提出的建设“太空太阳能电站”的构想付诸实际，测算显示：这样一个电站的面积将达几平方公里。

    太阳能太空电站的工作原理

    据了解，“天宫一号”空间实验室应用了折叠式砷化镓太阳能电池板，共计5片，可供实验室内部的设备正常运转。而太空电站的原理与“天宫一号”太阳能电池的工作原理相比，技术上要复杂得多。设计原理为：将其放置在地球同步轨道上，随地球同步自转，通过安装在太阳能电池板上的微波转换器，将太阳能电池获取的电力转换成选定频率的微波束，径直传向地球表面上的网格整流天线接收器，再将其转换成电能。

    实验证明，频率为5.8千兆赫的微波转换器在将直流电转变为射频的过程中，其转换效率可达到80%以上；与之对应，地面上的整流天线（将射频微波转化为电能）转换效率也能高于80%,这一关键技术为太空电站的基础设施建设取得实质性进展提供了重要的技术保证。

    不过巨大的能量转换过程会不会伤及人类、飞机和卫星呢？实验证明：波长为12.24厘米的电磁波可以轻松穿透地球大气层，只要强度适当，对生命体不会有伤害。

    挑战无处不在

    计算显示：一个吉瓦级的太空电站，需要运送至少几平方公里面积大小的太阳能电池板到太空中去（如未来的电池效率会大幅提升，面积会减少），加上支架、微波转换器、聚光器等器件，需要具有足够运载能力的火箭作为支持，而据现有火箭的运载能力估算，建造如此规模的太空电站每年要发射上千次之多，耗资比在地面上建设相同装机的太阳能电站要贵百倍以上，这无疑是最大的瓶颈。

    另外，在太空中组装庞大的空间太阳能电站，需要多少名宇航员？多久建造完成呢？相信这些数字都将令人瞠目。

    还有运行问题。空间太阳能电站在运行过程中需定期对波束、组件等关键部件进行安全检测、维修，还要避免其他太空垃圾对其干扰，因为电站一旦建成，只要遭到其他垃圾的撞击，后果难以估算，所以维护成本非常之高。

    其实，所有的挑战最后都是要归根于资金支持这块，只要有了强有力的财政后备和技术支持，一切都可以迎刃而解。尽管挑战无处不在，但人类也没有停下对太空电站建设的步伐，日本、美国、中国和欧洲一些国家都在努力中。

    谁在跃跃欲试

    近二十年来，由于主要石油生产国的政局不稳，传统能源日益短缺，核电质疑频频，因此美国、日本、欧盟、俄罗斯等国都将视线转向了外太空，纷纷提出自己的国际空间太阳能电站构想。

    美国1979年设计了一个“SPS基准系统”方案，该方案为：在地球静止轨道上布置60个发电卫星，每个发电卫星的发电能力各为5吉瓦。而十年后，NASA又在SERT研究计划中提出了集成对称聚光系统设计方案，该方案采用了位于桅杆两边的大型蚌壳状聚光器将太阳能反射到两个位于中央的光伏阵列，聚光器与桅杆间相互旋转以应对每天的轨道变化和季节变化。方案看似都很具体，但是可行性有待改进。

    日本航天机构在研发太空太阳能电站方面十分积极。据报道，为减小单个模块的复杂性和重量，日本科学家提出了分布式绳系卫星的概念。其基本单元由尺寸为100米×95米的单元板和卫星平台组成，单元板和卫星平台间采用四根2千米~10千米的绳系悬挂在一起。单元板是由太阳能电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板，共包含3800个模块。每个单元板的总重约为42.5吨，微波能量传输功率为2.1兆瓦。

    欧洲在1998年“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划中提出了欧洲太阳帆塔概念，即采用可展开的轻型结构--太阳帆。其可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。其中每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150米×150米，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道，这看似是个很可行的办法。

    在发达国家忙碌着探索太空能源的同时，中国的科学家们也没有停下脚步，由中科院院士王希季牵头、多名中科院和工程院院士参加完成的咨询评议报告--《空间太阳能电站技术发展预测和对策研究》已于日前正式上报国家发改委，建议我国尽快开展太空电站的论证和设计，争取在2030年进行并完成整个空间站的研制，最后在2040年实现太阳能空间电站的商业化。

    中国科学院院士，空间技术专家王希季曾表示，大规模开发利用空间太阳能，将极大地提高经济发展的速度和质量，引起经济基础的飞跃，而导致新的技术革命，甚至产业革命。据了解，目前航天技术已经被列入到国家新兴战略产业领域。

    粗放型发展，谨防“雪崩效应”

    1978年，NASA的天文学家唐纳德·凯斯勒提出了“雪崩效应”概念，即当在近地轨道运转的物体密度达到一定程度时，每一次碎片间的撞击都会产生更多碎片，新的碎片又成为新的碰撞危险源，无止境的恶性循环下去，成为“雪崩效应”。目前绕着地球跑的太空垃圾已经堆积到了“临界点”，高速运转的太空垃圾有16000多块，重达6000吨，形成了一个太空“垃圾带”.如果不幸落在人口密度较高的地区，后果不堪设想。

    想象一下，如果一个面积达几平方公里大的太阳能空间电站应该需要多少零部件？这些零部件如果有一天失去了控制，将会形成多少太空垃圾？其中的任何一个都有可能对处于轨道上的航天器和地球上的人类构成巨大威胁，这无异于是太空探索的噩梦。

    2001年，俄罗斯的和平号空间站在人为控制下坠入大海，但更多的太空垃圾却在非控制状态下坠落了地球；2010年9月份，中国的鑫诺六号火箭残骸坠落贵州村舍内，导致直径60米内的草木完全枯萎，险些伤及村民；9月23日，美国一颗与大巴车大小相似的失控卫星，回归地球，引起全球恐慌，还有美国“哥伦比亚”号航天飞机、“飞马座2”号卫星、前苏联“礼炮-7”号空间都先后坠落了地球，并造成“肇事”。

    英国南安普顿大学空间碎片专家休·刘易斯曾说过，近两年中可能出现报废卫星“扎堆回家”的高潮。这些重返地球怀抱的“孩子们”，让地球人很是头疼。所以，建造空间太阳能电站，还是要慎行。<