太空中的太陽能發電或成地球的能源替代品
2020-11-28 電子發燒友太空中的太陽能發電或成地球的能源替代品
勻琳 發表於 2020-11-27 11:21:24
北京時間11月27日消息，據國外媒體報導，巨大的太陽能發電站漂浮在太空，將無數能量輻射到地球。這個概念，聽起來像是科幻小說中的場景，其實是由俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在上世紀二十年代首次提出。一直以來，它也確實是許多科幻作者的靈感來源。但是，一個世紀後，科學家為實現這個概念已經取得了巨大的進步。歐洲航天局已經意識到這些工作的潛力，同時也在為這些項目尋求資金，並預測我們從太空獲得的第一種工業資源將是「光束能量」。
氣候變化是我們這個時代面臨的最大挑戰，因此風險也非常之大。從全球溫度上升到氣候模式改變，氣候變化已經影響到全世界的每一個人。克服這一挑戰需要我們徹底改變生產和消耗能源的方式。
最近幾年，可再生能源技術發展迅速，效率更高、成本也更低。但是採用可再生能源的一個主要障礙在於，它們無法持續提供能量。風力發電場和太陽能發電場只有在風使勁吹或太陽當空照的時候才能產生能量，但我們每一天每一小時都需用電。因此，我們在普及可再生能源之前，首先得找到一種大規模存儲能量的辦法。
解決這個難題的一個可行辦法或許是在太空中產生太陽能。這種方式有很多優點。一個太空太陽能發電站可以一天24小時面朝太陽運行。地球的大氣層也會吸收並反射部分太陽光。所以，大氣層上方的太陽能電池可以接收更多太陽光並產生更多能量。
但是問題又來了：我們該如何組裝、發射和部署如此龐大的結構呢？單個太陽能發電站的面積可能至少要達到10平方公裡，相當於1400個足球場那麼大。其次，使用輕型材料也至關重要，因為屆時最大的成本將是用火箭將發電站送入太空。
一個建議的解決方案是開發成千上萬個小的衛星。這些衛星聚集在一起，通過配置可以組裝成一個大型的太陽能發電機。2017年，加州理工學院的研究人員曾提出過模塊化發電站的設計。該發電站由數千個超輕太陽能電池塊組成。研究人員還展示了一塊每平方米僅280克的原型電池塊。
最近，製造業的發展成果——如3D列印等，也有望用於太空太陽能發電站的開發。在利物浦大學，研究人員正在探索新的製造工藝，以將超輕太陽能電池列印到太陽能帆上。這個太陽能帆是一種可摺疊、輕便又具有高反射率的薄膜，可以利用太陽的輻射壓力作用，推動太空飛行器前進，而不再需要燃料。研究人員也在探索如何將太陽能電池嵌入太陽能帆結構上，以製造大型、無需燃料的太陽能發電站。
這些方法可以幫助我們在太空中建造發電站。事實上，未來有一天，我們或許可以在國際空間站或未來的繞月球軌道運行的門戶站製造和部署發電站裝置。
可能還不至於此。儘管我們目前依賴地球上的材料來製造發電站，但科學家也在考慮利用太空中的資源（如月球上發現的材料）直接開展加工製造工作。
上述問題解決後，剩下一個主要挑戰是如何將能源傳輸回地球。當前的計劃是將太陽能電池中的電能轉換為能量波，然後用電磁場將能量波傳輸給地球表面的天線。天線進而將能量波變回電能。日本航空航天局的研究人員已經開發了幾種設計，並演示了一個可以實現這些功能的軌道系統。
即便如此，在這個領域我們還有許多工作要做。但我們的目標是，太空中的太陽能發電站將在未來數十年成為可能。中國的研究人員已經設計了一個名為歐米伽（Omega）的系統，預期可以到2050年投入使用。該系統在最佳性能狀態下，可以向地球電網提供2GW的電力。如果是在地球上用太陽能電池板產生這麼多電能的話，那將需要600多萬塊太陽能電池板。
但是，諸如為月球登陸器供電而設計的更小的太陽能衛星，可以更早地投入使用。如今，全球科學界都在投入大量時間和精力，來開發太空太陽能發電站。我們希望，終有一天，它們可以成為我們應對氣候變化的重要工具。
責編AJX
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