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天基太陽能，或許能成為未來全球能源結(jié)構(gòu)的重要部分，影響還遠不止于此。

太陽能發(fā)電早已成為全世界能源結(jié)構(gòu)中的重要部分，而在不久的未來，我們或許還會把太陽能發(fā)電站建到太空中去。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）本月在第六次氣候評估報告中警告，將全球升溫控制在1.5°C以內(nèi)的窗口正在關(guān)閉，除非全球立刻采取極端措施，氣候災(zāi)難將難以避免?？稍偕茉吹氖褂檬亲钪匾拇胧┲唬呻m然近年來全球太陽能的技術(shù)和應(yīng)用都在迅速發(fā)展，但與1.5°C溫控目標的實現(xiàn)之間，仍有相當(dāng)大的距離。好在，許多國家的政府和科研機構(gòu)，都將推進太陽能的研發(fā)和應(yīng)用放在了重要位置。

英國在4月8日最新更新的“凈零創(chuàng)新組合”（Net Zero Innovation Portfolio）中就明確規(guī)劃了多個大型可再生能源項目，其中“天基太陽能”（space-based solar power）發(fā)電站格外引人注目――把太陽能發(fā)電站建在太空中，更多、更直接地接收太陽輻射，獲得遠勝地面的發(fā)電效益。英國Frazer-Nash咨詢公司在近日的一份報告中指出，這項耗資170億英鎊的工程有望于2040年左右在地球同步軌道上建成一個直徑1.7公里的天基太陽能發(fā)電站，搭配一個長13公里、寬6.7公里的地面接收設(shè)施，為英國提供2 GW（20億瓦）的電力。

其實，在太空中建設(shè)大型太陽能設(shè)施，并非英國首創(chuàng)，許多國家都已經(jīng)在進行相關(guān)的構(gòu)想甚至探索。美國從1970年代起就已開始關(guān)注空間太陽能工程的可能性（盡管在當(dāng)時并不可行），并在最近十多年啟動了具體研究，在2020年完成了有關(guān)的太陽能組件和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的測試。中國也正在重慶璧山基本建成了首個空間太陽能電站試驗基地，計劃到2035年完成首個空間太陽能發(fā)電站的建設(shè)。

這項看起來很像是“未來技術(shù)”的工程，從五十多年前就已開始受到學(xué)界密切關(guān)注，天基太陽能與地面太陽能相比，在理論上有著不小的優(yōu)勢。我國西北地區(qū)是全球太陽能資源最密集的地區(qū)之一，每平方米太陽能電池板所能提供的發(fā)電功率僅為約0.4 kW，而在約3.6萬公里高度的地球同步軌道上，這個數(shù)字會增加到10-14 kW，約為前者的30倍，且部署在太空中的太陽能電池板能24小時幾乎不間斷地工作，不會受到晝夜差異、陰雨天氣的影響。如果能把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內(nèi)，這將有希望成為全球能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中重要的一部分。

成本和可靠性的挑戰(zhàn)

不過，要把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內(nèi)，同時保證其可靠性，并非一件易事――從美國花了40年才把天基太陽能由空想變?yōu)閷嶋H研究，以加利福尼亞理工學(xué)院（Caltech）為代表的頂尖研究團隊又花了十余年才走出理論設(shè)計展開具體測試，難度可見一斑。

把太陽能設(shè)備送入太空，面臨的第一個挑戰(zhàn)來自于太陽能電池板的重量。目前在地面上常用的太陽能電池板每平方米普遍重約5千克。Frazer-Nash咨詢公司指出，雖然技術(shù)優(yōu)化能夠?qū)⑦@一數(shù)字大幅降低，但最終建成的太陽能衛(wèi)星仍將重約2000噸。照此計算，即使使用目前最強大的SpaceX獵鷹重型（Falcon Heavy）運載火箭（至地球同步軌道的有效載荷約26.7噸），也需要大約75次發(fā)射才能將所有電池板模塊運抵軌道。根據(jù)近年的價格數(shù)據(jù)估算，這將帶來超過110億美元（85億英鎊）的發(fā)射成本。

設(shè)備在地球同步軌道搭建完成后的運行過程，也面臨著一些實際挑戰(zhàn)――在太空環(huán)境中，太陽能電池板會變得十分脆弱。太空垃圾、宇宙碎片會以高速撞擊設(shè)備，可能會對面板造成不可逆的損壞。即使不會直接影響整個系統(tǒng)的工作，面板的折損速率也是不可忽略的。另外，在沒有大氣層保護、地球磁場保護也很弱的地球同步軌道，航天器面臨著太陽風(fēng)和高能宇宙射線的不斷轟擊，這會導(dǎo)致半導(dǎo)體面板的分解速率遠遠高于地面情形，導(dǎo)致收集到的太陽能降低，設(shè)備壽命明顯降低。

最后，如何將電力有效地傳輸?shù)降孛嬉彩且粋€問題。一方面，遠距離無線電力傳輸?shù)男誓壳斑€只能達到1%的數(shù)量級（不過這也意味著與目前相比，天基太陽能的前景還很廣闊）。另一方面，如何規(guī)劃占地面積巨大，且對氣候條件有所要求的接收設(shè)施，也是一個需要解決的政策問題（英國計劃把首個接收設(shè)施建設(shè)在海面上）。

雖挑戰(zhàn)重重，但大有可為

盡管挑戰(zhàn)重重，但天基太陽能工程也絕非不可為。

一些國際團隊的研究已在近年實現(xiàn)了單位面積重量比過去低一個數(shù)量級以上的輕質(zhì)太陽能面板，可用于空間部署。而相同質(zhì)量載荷的發(fā)射成本也在不斷降低。以SpaceX可重復(fù)使用版本的獵鷹重型火箭為例，可重復(fù)使用發(fā)射的單次成本僅為一次性火箭的2/3，這個比例在未來還有希望進一步降低。中國的可重復(fù)使用火箭也正在研發(fā)之中，首次發(fā)射將在2025年內(nèi)進行?？梢灶A(yù)見，這些技術(shù)在未來十年的進一步發(fā)展，將使得太陽能設(shè)施的空間部署成本大大降低。同樣，電力遠距離傳輸?shù)募夹g(shù)也有望進一步發(fā)展，不但電力傳輸效率有著數(shù)量級上的提升空間，收發(fā)設(shè)施的規(guī)模和成本也可通過天線和電路等的改良得到優(yōu)化。一些研究已經(jīng)通過使用卡塞格林天線（Cassegrain antenna）等途徑，在這些方面取得了可觀的進展。

各國把天基太陽能項目提上議程的原因，可能是預(yù)見到技術(shù)進步將讓天基太陽能成為可能。反過來，天基太陽能項目的推進，也將帶來長遠的技術(shù)進步，以及更多的益處。

天基太陽能工程本身的發(fā)展趨勢來看，未來的發(fā)電效益不容小覷――以英國的2 GW衛(wèi)星作為參照，假如研發(fā)者能夠?qū)鬏斝侍岣咧?0%，且能夠不間斷運行的太陽能系統(tǒng)，功率就將達到20 GW，全年發(fā)電量將達到1750億千瓦時，相當(dāng)于1.5個三峽水利樞紐（根據(jù)三峽集團年報，2020年三峽總發(fā)電量為1118億千瓦時）。

從項目涉及具體技術(shù)的廣泛應(yīng)用來看，遠距離大功率輸電的研發(fā)成果，也能在其他許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如，“遠距離無線充電”技術(shù)目前只在一些科技公司的概念產(chǎn)品中出現(xiàn)，并且僅限于較低功率，可遠距離大功率微波輸電技術(shù)的研究者們已經(jīng)開始使用微波無線電力傳輸系統(tǒng)為無人飛行器、孤島，甚至衛(wèi)星供電。除了無線輸電以外，天基太陽能涉及的等其他技術(shù)，也一樣能在許多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域大顯身手――半導(dǎo)體、光伏、航天器模塊在軌組裝、可重復(fù)使用火箭等技術(shù)，正是各個學(xué)科和領(lǐng)域的焦點項目。

這樣的大型項目對社會的科學(xué)影響也將是廣泛而長遠的。美國自上世紀中期開始圍繞頂尖高校院所建立的科學(xué)傳播體系已經(jīng)吸引了無數(shù)青少年投身STEM領(lǐng)域，其中許多如今已經(jīng)成為各自研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)軍者。英國Frazer-Nash的報告也指出，天基太陽能工程的推行將在吸引全球?qū)W者、促進前沿領(lǐng)域國際合作、激發(fā)年輕學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的熱情、促進科學(xué)技術(shù)商業(yè)應(yīng)用等諸多方面產(chǎn)生難以定量，但持久廣泛的回報，這正是政府應(yīng)當(dāng)對其投入資源首要理由。

中國的空間太陽能試驗項目同樣沒有忽視這一點，圍繞它的研究項目建設(shè)并不是散兵游勇――3月初步建成的重慶璧山空間太陽能電站實驗基地，提供了先進全面的試驗設(shè)施。除了實驗大樓外，百米尺度的微波試驗塔、大型能量波束測量天線陣、激光實驗臺、空間綜合環(huán)境模擬試驗裝置、電磁生物學(xué)效應(yīng)實驗平臺等將為研發(fā)工作提供全面保障。項目還與宇航學(xué)會一同在璧山建設(shè)了科普培訓(xùn)基地，將在將來舉辦高水平的培訓(xùn)和技術(shù)競賽，激發(fā)青少年和公眾的科學(xué)興趣。

天基太陽能，本身或許最終可行，也或許不可行；或許能在十年內(nèi)成為現(xiàn)實，也或許二十年后的技術(shù)都仍不足夠；或許會成為全球能源結(jié)構(gòu)中的重要部分，也或許只能為整個地球提供電力供應(yīng)中的一小部分，與聚變發(fā)電相比不值一提。但作為一個集航天、能源、半導(dǎo)體等諸多領(lǐng)域于一身的大型項目，促進跨學(xué)科研究、吸引國際合作、推動研究成果商業(yè)化的能力，一定是國家科技發(fā)展的重要“電力”；激發(fā)科技熱情、傳播科學(xué)精神、啟迪科學(xué)智慧的價值，更是這個世界不斷變革，戰(zhàn)勝過去，走向未來的珍貴“能源”。