什麼是太陽帆，太空太陽能電站給人類會帶來哪些好處！
今天已經升空的人造天體如此改變了地球的面貌,給人類帶來了巨大的科技和經濟效益,那麼科學家正在研製試驗中未來才能升空的其他人造天體,就必將進一步改變地球的面貌,給人類帶來更大的科技和經濟效益。這些研製中的未來新型人造天體,其中之一便是已經試驗升空的太陽帆。太陽帆,是前蘇聯科學家燦德爾在90年前提出設想,1992年由俄羅斯科學家研製成功的。俄羅斯科學家研製的這面太陽帆,用聚酯纖維絛綸薄膜製成,厚度僅5微米,表面噴塗一層銀色金屬,主帆直徑為250米,總重13公斤。這面太陽帆,1992年12月由「進步號」宇宙運輸飛船捎帶升空,1993年2月4日飛船完成運輸任務後,才在距離地面350公裡的太空把它展開。結果試驗一次成功,俄羅斯科學家調控這面展開的太陽帆的角度,使它反射陽光照亮了地球背向太陽的黑暗地區。據報導,其反射的光亮亮度相當於月亮的2~3倍,照亮了方圓直徑達10公裡的區域。在6分鐘的時間內,依次掃過了裡昂、日內瓦、伯爾尼、慕尼黑和白俄羅斯。
俄羅斯這面太陽帆的試驗成功,標誌著人類將可以使用太陽帆,使漫漫長夜達半年之久的北極結束黑暗的歷史,並可以用它為城市、大工地或者某些發生嚴重自然災害的地區夜間照明,不僅節約電力而且使得各項生產和救援活動得以順利進行,因而可以為人類創造出巨大的經濟效益。據估算,建立一個太陽帆的照明系統只需80萬美元,由此每年可節省照明用電費用高達3500萬美元。因此一些科學家認為,太陽帆的使用可能意味著不必再建新的、甚至可以拆除已有的核電站。同時科學家還說,太陽帆既可用來銷毀外層空間日益增加的「空間垃圾」,而且也可以用來確保借太陽風運行的宇宙飛船有足夠的動力源。但是也有人擔心將來太陽帆有可能成為比核武器更為可怕的武器,例如在電離層變薄的時刻利用太陽帆把大劑量的紫外線反射到某一敵方區域,等等對於太陽帆的研究俄羅斯一馬當先,世界各國隨後緊跟。
目前,美、法、意、日等國都已決定發射自己的太陽帆。俄羅斯將再接再厲,決計先升起4~6面太陽帆,然後在距離地面1500~5530公裡的空間層,設置100多面太陽帆,構成一個宏大的太陽反射鏡圈,以便按照各地的要求反射陽光。可以預料,屆時在繞地球軌道中將出現多「帆」競發的壯觀場面,給人類帶來巨大的效益。未來新型人造天體之二,便是人類將要建造的太空太陽能電站。在太空建造太陽能電站為地球提供能源的設想,最早是前蘇聯科學家格盧什科在60年前提出來的。1968年美國科學家格拉澤綜合前人的設想,提出了第一個具有實踐意義的在靜止軌道建造太陽能電站向地球供電的方案,此後討論太空太陽能電站的方案便多了起來。
太空太陽能電站的基本方案是:把電站建在距離地面3.6萬公裡的靜止軌道上,由於地球赤道平面與黃道平面總是構成一個23.27度的傾角,所以靜止軌道上的電站除春分和秋分這兩天外,總是處於太陽輻射流之中。其光電轉換器和超高頻轉換器將太陽輻射能轉變為超高頻輻射,以波長10~12釐米的集束輻射形式傳輸到地面上來。這種集束輻射穿過電離層和大氣層時幾乎是無損耗的,到達地面時其密度達到很高的水平,再將其轉換成電能的效率高達90%以上。這種電站確有許多優點,但到80年代初期除日本繼續探索並準備實幹起來外,其他國家都擱置了下來。
科學家如此算了一筆帳:即假定到2020年要用這種方法提供世界能源需求的20%,從2000年開始建站,那麼就要每星期將5×10×10噸物資先送上近地泊位軌道,然後再運上靜止軌道。再假定那時將有載荷500噸的巨型火箭,單位運價為每公斤20美元,即今天美國太空梭運價的1/400,那麼每隔20分鐘就得發射一次這樣的火箭。結果僅發射火箭這一項的費用,每年就要高達6000億美元,同時每年向大氣排放的火箭燃燒汙物也多達5×108噸,而目前汙染大氣的全球有害排放物每年才約為3×108噸!由此可見,人類現有的技術還遠未達到可以動手建造太空太陽能電站的水平然而,考慮到21世紀中葉地球人口之多,石油和天然氣資源漸趨枯竭,水電工程潛力有限,非傳統能源僅及所需能源總量的百分之幾,核電站和熱核電站的前途還有許多疑點等因素,走太空太陽能電站之路又顯然是必要的。為此人類必須研製出經濟效益更高,生態學上更潔淨的多次使用型太空運載系統,開發出更高效的能量轉換器,發展太空機器製造業其中必須使航天活動從粗放式發展轉上集約式發展的軌道,可能還必須對月球進行工業化開發利用。
俄羅斯「能源」號火箭與「暴風雪」號太空梭組成的太空運載系統的有效載荷已達100噸,單位運價降到了每公斤600美元。但將有效載荷從近地泊位軌道送上靜止軌道,也要有更高效而經濟的運載系統。為此30年來,前蘇聯一直在研究適用於這種運輸系統的火箭。另外,近幾年來在未來能量轉換器研究方面也取得了一些顯著進展。例如用非晶氫化矽和砷化鎵、砷化鋁等異質半導體材料,製造光電轉換器的研究。前一種光電轉換器可把太陽能電池的單位功率用料量和單位功率造價降到極低水平,後一種轉換器與便宜的太陽輻射膜集器配合使用,可提高轉換效率45%以上。而超高頻輻射發生器,則可以用多諧振速度調製器來充當,其效率在單位質量為0.8~1.0公斤/千瓦時可達80~85%。如用勵磁電晶體或磁控管,效率則可達90%。
為此俄羅斯科學家認為,目前太空太陽能電站的設計和實驗研究,在基本問題方面均已取得了巨大進展,使一些設計的現實性大為提高,與其他非傳統能源,尤其是與有前途的核電站和熱核電站相比,這些設計已具有極大的競爭力。為此可以預料,在不久的將來,一顆顆重量以萬噸計的巨大同步衛星,將在距離地面3萬多公裡的軌道上,展開幾十平方公裡的太陽電池陣列朝向太陽,把由此產生的直流電轉換成微波能量射送地面。據估算,一顆這樣的衛星就可以為一座現代化的工業城市供電。