太空电站：处理人类能源危机的终极出路？
有没有一种“一了百了”的方法，能够彻底处理人类的动力危机？
地球上一切的动力都来自太阳，无论是煤炭、石油、天然气等化石动力，仍是水、风、太阳能等清洁动力，都与太阳有关。化石动力带来大气污染且很快将耗尽，风、光和水能并不安稳，实践发电量占比仅为23.6%。在大规划储能技能获得严重打破之前，仅依托可再生动力供应继续安稳的动力供应也不实际。
那么，可不能够在太空建一座电站，直接吸收太阳能并转化成电能，再传输到地球？这便是“空间太阳能电站”（简称“太空电站”）。中科院院士葛昌纯于2021年5月撰文指出，空间太阳能电站与可控核聚变电站被以为是两种最有或许的终极动力处理途径。但可控核聚变现在仍处于根底科学研讨有待打破的阶段，而空间太阳能电站不存在根底科学问题，尽管工程规划巨大，但相关技能经过继续研制是能够在必定时间内获得重要打破的。他估计，在本世纪下半叶，我国将会构成空间太阳能发电工业，成为我国动力根底设备的重要组成部分。
眼下，我国正朝着这一方针迈出第一步。2021年6月18日，在重庆市西边的璧山区福禄镇平和村，璧山空间太阳能电站实验基地宣告正式开工建造。很快，一个50~300米高的浮空渠道将从璧山升起，这是一个中小规划的气球阵，科学家们会测验先从这个高度往地球输电，下一步则是平流层，间隔地上有22公里。
到太空去逐日
太阳辐射在穿过地球大气层时，或许遭受云、雾、雨、雪等各种天气现象，云层会反射大部分太阳光，因而常年多云的区域可接纳到的太阳能总是缺乏，这便是大气对太阳能的衰减效果。
因而，和地上太阳能电站比较，太空电站的最大优势是它的安稳性。我国工程院院士、重庆大学通讯与测控研讨所所长杨士中指出，因为大气层衰减，地上太阳能电站可发生的电力有限，有很明显的区域差异。比方，在日照足够的我国西北区域，一平方米的光伏电池可发生0.4千瓦电力，在雾都重庆，仅为0.1千瓦。但在间隔地球表面约3.6万公里高度的地球同步轨迹上，发电功率可高达10千瓦~14千瓦。在太空中，既能够完美避开大气层的衰减，也不受昼夜、时节影响，99%的时间内能够安稳地接纳太阳辐射，能够全天候大规划发电，发电功率是地上的几十倍。
太空电站的远间隔无线能量传输载体有微波和激光两种，相较而言，微波的能量传输功率更高，云层穿透损耗低，安全性较好，且技能相对老练，因而，现行计划多以微波传输为主。
1968 年，美国彼得·格拉赛博士初次提出太空电站的幻想。整个20世纪70年代，美国政府投入了约5000万美元对此进行研讨，直到1979年，规划出全国际第一个详细的概念计划，名为“1979-SPS基准体系”。在其时的全球石油危机大布景下，美国宇航局（NASA）与动力部是以21世纪全美一半的发电量为方针进行规划，计划在地球同步轨迹上布置60个发电才能各为5GW（百万千瓦）的太空电站，整个体系算下来共需求2500亿美元。
西安电子科技大学校园内的实验塔，用于在地上全链路演示段宝岩团队独家规划的OMEGA计划。图/受访者供应
计划一出，就引发巨大争议。美国国家研讨委员会和国会点评委员会的评定以为，该计划技能上可行，但经济上无法完结。尔后数年，因为难度大、功率低、本钱高，美国对此的研讨曾一度阻滞。但从2007年起，美国国防部国家安全空间办公室成立了空间太阳能电站研讨组，以为太空电站能够为长途基地供电，在军事上有很大的潜在需求。
2011年，国际宇航科学院（IAA）发布了首份对太空电站可行性和远景剖析的国际评价陈述，陈述的首要撰写人之一、曾在NASA担任太空项目多年的约翰·曼金斯在陈述发布会上自傲地说：“终究，学院的判别是空间太阳能电站不只在技能上是可行的，并且在未来30年内也会在经济上可行。
日本在微波无线能量传输技能的研讨上一向处于国际领先水平，因而在开展太空电站上有天然优势，是第一个将开发商业化太空电站正式列入国家航天计划的国家。2017年，日本发布了最新的开展路线图，要在2050年建成商业化太空电站。
但是现在，除日本2015年3月在兵库县进行过一次无线供受电体系实验外，在全国际范围内，只要我国真实进入地上验证阶段，而其他国家还停留在概念幻想阶段。
杨士中是璧山项目的技能担任人。他对记者指出，太空电站的要害，在于将电从太空以无线的方法安稳地传输到地上电网，因而，大功率、远间隔无线传能技能的打破是一个有必要跨过的难关，比方传输功率是否足够大，波束是否指向规则的接纳口径，让差错尽或许缩小。这些技能都要先在浮空渠道上做实验，为往后真实的太空电站打下根底。璧山项目占地约200亩，总出资约26亿元，现在到位出资为1亿元。
“咱们每次发射一颗新的卫星，都要先在高空的气球或飞机上测验，也借此把一些技能问题、科学问题研讨理解，然后再用火箭把卫星打上去，璧山实验的效果也是如此。”杨士中解说道。
与此一起，在西安电子科技大学的校园内，由该校教授、我国工程院院士段宝岩组成的团队正在进行终究的调试。段宝岩是我国天线方面的顶尖专家，此前曾担任500米口径球面射电望远镜（FAST）的整体规划。和璧山浮空渠道的功用相似，西电在校内架起了一个75米高的支撑实验塔。
段宝岩对记者介绍，实验塔上安装了聚光镜、光电转化体系和发射天线，能够在50~60米的高度上向地上进行无线传输，现在现已底子建成。这便是西电“逐日工程”的一部分，它在2018年12月，与璧山项目一起发动。
航天与动力范畴的曼哈顿工程
我国对太空电站的正式研讨始自2006年。当年7月，我国航天科技集团公司安排进行了一场概念研讨会。曾参加会议的我国空间技能研讨院（五院）的一位太空电站专家对记者回忆说，最早是国内的一家民营企业、来自山西的普兰德电力技能有限公司留意到了这件事，向国防科工局提交了相关提议。领导层很注重，将其交给我国航天科技集团作开始研讨和评价，很快，就有了上述研讨会。
西安电子科技大学校园内的实验塔，用于在地上全链路演示段宝岩团队独家规划的OMEGA计划。图/受访者供应
经过前期屡次的调研与证明，2014年，我国太空电站的开展规划及路线图出炉，分为两大步和三小步：在2030年左右先建造一个兆瓦级（1兆瓦）的小型太空电站，到2050年再扩展升级到GW（百万千瓦）级，也便是兆瓦级的1000倍。
幻想中的太空电站间隔地上的高度到达3.6万公里，坐落地球的同步轨迹（GEO）上，归于高轨迹。而大多数卫星、空间站都在近地轨迹上，比方国际空间站一般在距地表300多公里的轨迹上飞翔，太空电站的高度是空间站的100多倍。在这样绝无仅有的高度上进行能量传输，应战十分大。
前述五院专家指出，空间太阳能电站是一个十分巨大的体系工程，其分量、标准方面远超现有航天设备，因而人们将其称为航天与动力范畴的“曼哈顿工程”。一个小型的兆瓦级电站的分量，就现已比现在大多数的国际空间站要大，还要考虑到在轨拼装的难度，和空间站的建造比较，底子不是一个量级。一个空间站也就由几个舱段构成，在拼装时太空机械臂就能够完结，接口的操控也不须考虑过多。但太空电站需求拼装很多的模块，拼装时不能再选用现在的空间自主交会对接方法，未来，需求幻想一套新的空间拼装体系，尽或许让接口简化，也需求很多的空间机器人参加。
“幻想一下数千个模块被发射到天上，先进入低轨，再推进到高轨，然后开释，再拼装，整个进程的杂乱程度必定远超咱们的幻想。”他说。
依据路线图，在建造兆瓦级的第一阶段，详细分三步走，先进行要害技能的地上及浮空器实验验证，也便是璧山项目与西电的“逐日工程”正在进行的作业，其次是进行高空超高压发电输电验证，终究进行空间无线传能实验。
多位受访专家对记者都表明，现在，日本、美国和我国等国都计划在2050年前后完结“逐日”，但因为所需资金巨大，在第二阶段，是否能如期完结计划还有待调查。
“从技能自身而言，没有卡脖子的限制要素，要害在于我们有没有决心、愿不愿意去投入。假如加大投入的资金，也有或许提前完结计划，但依据现在的开展来看，或许会推迟一些。”五院的专家这样说。
从APLHA到OMEGA
当太阳光射入球形反射面上后，会聚集到一个固定的聚光区，再打入光伏电池并发生直流电，随后转成微波，经过发射天线传输到地上。
这是段宝岩团队独家规划的OMEGA计划在地上的全链路演示进程。
自美国规划出“1979-SPS基准体系”之后，国际上现已提出了几十个不同的太空电站概念计划，能够分为非聚光式和聚光式两大类型。最早的1979计划是经典的非聚光式，即照耀过来的太阳光即时被转化成电能，再转成微波发射出去，但这个进程中，最大的难点是怎么一起完结“两个定向”，即在滚动中，电池阵有必要一向对着太阳，发射天线一直对地，就像卫星相同。
前述五院专家解说说，因为太空电站的体量过分巨大，且结构杂乱，这么大的质量，要让它滚动起来满意“两个定向”，一起还要传电，这关于整体操控体系的要求极高。
约翰·曼金斯提出了ALPHA计划（示意图）
近年来，聚光式太空电站成为国际上的研讨热门。2012 年，约翰·曼金斯提出了ALPHA计划，全称是“恣意相控阵空间太阳能电站”，整个结构被规划成一个“酒杯”，经过“酒杯”杯身内部弧形反射面的规划，使射入光会集到底部的三明治结构上，在这里，太阳能电池阵、电力传输与办理体系，以及微波发射天线三部分被集成为一体。现在，太阳电池阵和天线集成在一起的三明治结构一直对准地上，不必再滚动，只需求将聚光体系规划成能够调整的结构即可，但这一规划也将十分杂乱。
前述五院专家以为，聚光式计划现在尽管很热，但归纳技能难度更大，比较之下，非聚光式计划更有实际可行性，只需求处理大功率导电旋转关节的技能难题，对此，五院已布局打开相关研讨。
但在段宝岩看来，非聚光的最大问题是功率较低，因而，聚光式计划将会是未来的开展方向。今年内，他们团队估计会完结OMEGA的地上验证实验，假如验证经过，在传输功率和功质比上都有不错的数据，下一步，便是考虑怎么将它“升空”。
中科院院士、“两弹一星”功臣王希季曾有一个结论：开展空间太阳能电站将带来史无前例的、影响深远的改造客观国际的严重革新。在处理动力问题之外，多位专家指出，研制太空电站更重要的含义是能够带动整个航天范畴空间技能的全面进步，比方在轨大型结构制作才能、人类使用空间才能，以及具有十分多使用场景的微波传输才能。
前述五院专家指出，小到空间站的建造，大到月球勘探、火星移民，有足够的供电是底子条件。太空电站建成后，对人类开发太空也将起到巨大协助。
