深空探索必須解決能源問題,但一百年前的設想至今仍未實現!
2020-11-30 中國科學技術館
人類的空間探索計劃穩步推進，NASA即將在2024年重返月球;「門戶」(Gateway)也在積極推進中，後期還有可能作為載人登陸火星的跳板。
就深空探索而言，要解決的一大問題就是能源。從地球攜帶大量能源不太現實，這會加重火箭運載壓力，而且在空間中與無處補給。
人類在就注意到了這一問題。俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)首次在20世紀20年代提出空間太陽能發電站的設想;1968年美國科學家彼得·格拉賽還提出了具體方案。
在宇宙空間建立太陽能電站，能合理地充分利用空間資源;太陽能電池陣通過轉動，可以保證全天24小時都能受到太陽照射;此外，空間中的太陽光由於沒有大氣層削弱，其能量強度更大。
部分國家在此方面的研究早已展開。NASA不止出資資助概念方案研究，還與部分機構建立了技術研發合同;日本早在2004年就將發展空間太陽能電站列入國家航天發展計劃，並已進行了相關實驗。
從技術方面來說，人類目前面對兩個難題。一是如何組裝、發射和部署發電站這樣的大型結構;二是如何將產生的電能傳回地球。
一個太陽能發電站的面積可能要達到10平方公裡，相當於1400個足球場大小。而目前人類最大的空間設備——國際空間站的長寬分別只有109米和73米。
蘇聯上個世紀的模塊化空間站為此後大型天基設備發射提供了思路。因此專家建議可以採用分批發射、空間組裝的方式。
這種方案隨之而來的是巨大的發射成本，雖然馬斯克的SpaceX已經將這一成本降低了不少，但畢竟「積少成多」。
還有提議建議開發一群數以千計的小型衛星，這些衛星將聚集在一起，並配置成一個單一的大型太陽能發電機。加州理工學院的研究人員在3年前闡述了這一設計思路。考慮到此前SpaceX實現的一箭60星(星艦的運輸能力據稱可達到400星)，這一計劃具有一定的可實現性。
此外，3D列印的發展也提供了一定應用前景看。利物浦大學的研究團隊正在探索在太陽帆上印刷超輕太陽能電池的新製造技術。太陽帆是一種可摺疊、重量輕、高反射性的薄膜，能夠利用太陽輻射壓力的影響，在沒有燃料的情況下推動太空飛行器向前。
對於第二個能量傳輸難題，有提議稱可以將太陽能電池的電能轉換成能量波，並利用電磁場將其傳輸到地球表面的天線上，然後天線會將電波轉換成電能。
由日本宇宙航空研究開發機構領導的研究人員已經開發了設計並演示了一個軌道飛行器系統，該系統應該能夠做到這一點。
中國同樣在這方面進行了一些研究。西安電子科技大學的研究人員設計了歐米伽系統。這是一個模塊化的球形系統，太陽光通過主反射器收集，電力由一系列光伏電池陣列產生，並最終通過電纜和導電接頭輸送到微波設備中。
這一系統能夠在峰值性能時向地球電網提供2GW的電力，在地球上需要超過600萬塊太陽能電池板才能產生這麼多的能量。
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