从太空取能

阿　茂

将太阳能电池板放在地球大气层外的发电效率相当于它在地面平均水平的20倍，人类或许可以利用这种能量来解决目前的能源问题

太空太阳能电站的设想如果真能实现，那将是太空工程之最——这个跨越几千平方公里的太空发电站将会是迄今最宏伟的轨道建筑物，矮小的国际空间站和它比起来就像是摩天塔脚下的铁皮小屋。

虽然这个工程甚是浩大，但这种在太空建造太阳能电站的想法却很简单，即：将硕大的太阳能电池板吊装在与地球相对位置不变的轨道(即同步轨道)上，然后将它们所接受的能量以强烈的激光或微波束形式发射回地球，然后再将这些能量转换为电能加入电网。

这个办法可以降低我们对石油的依赖，从而减少温室气体二氧化碳的释放。这种波束能无需借助昂贵的传输线路就可以直接给一些偏远的地区送电，甚至可以给战地士兵提供即时需要的电力。也许有一天，这种波还可以用来给新一代的飞船供能，或者帮助我们控制天气。

人类太空发电的梦想已经出现了有几十年，但是直到现在，它依然被认为太过昂贵而无法实施。但是能源的价格在飙升，燃料供给的安全性已成当务之急。今年5月在麻省理工学院召开的会议上，科学家讨论了太空太阳能是不是一个值得再提的想法。与此同时，一个由五角大楼组织的研究小组已经评估了其军事上的益处。而在日本，一个研究太空太阳能投资的10年项目已经获得了230万美元的实验基金。

或许，这个概念的实施时代已经来临。

巨型发电机

在太空建造发电站的想法最早是1968年由美国马萨诸塞州坎布里奇一个叫做阿瑟D•李特的咨询公司的工程师彼特•格拉塞提出来的。他认为我们可以利用轨道太阳能电池板获得能源，然后将它们转变为微波发射回地球。格拉塞设想巨大的太阳能电池板阵列大概要占用50平方公里的面积，每个电池板要产能几千兆瓦。届时，成百的宇航员将在太空居住，他们像建筑工人一样劳作，组装、维护有一半曼哈顿岛面积的结构。

在格拉塞的设计中，在太阳能电池板朝向太阳的时候，1公里长的微波天线把能量束射回地球。地面的接收天线也庞大无比，甚至造价更为昂贵，占地面积超过100平方公里。

如果这一特大项目得以实现，收益是显而易见的。将太阳能电池板放在地球大气层外的发电效率相当于它在地面平均水平的20倍，这种太空装置不会因为大气吸收、昼夜循环和云层覆盖而遭受损失。在36000公里高的同步轨道，即使其下面的地球阴云密布，面对太阳的卫星，其每一平方米也都几乎能连续地接收到1360瓦的太阳能。

根据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)高级使命研究中心主任森政弘的说法，这种效率意味着即便考虑到建造这个系统所需要的能量，一个太空基础的太阳能发电站还是能比在地球上占用同样面积的太阳能电站多产能6倍。

美国的冷淡和日本的热情

上世纪70年代，美国宇航局(NASA)和美国能源部对太空基础的太阳能电站进行调查，他们的结论是这在技术上是可行的，但是过高的造价使之无法成功——这个计划需要几十倍于当年第一次卫星上天的资金。

约翰•曼金斯曾是前NASA负责太空太阳能发电站的研究主管，现在通过自己在维吉尼亚的公司把时间都花在为太空太阳能做拉拉队队长的职务上。他指出，有3个关键的进展可能会将太阳能卫星的体积和造价减少到接近现实的水平：首先，太阳能电池将太阳能转变为电能的效率已经是30年前的4倍，因为这个改进，太阳能电池板的面积已大大缩小；其次，现在束射技术也已经改进，利用固态装置已经可以将微波束电子化，而不必再借助回转天线了，小型的、有标准件和容易组装的天线可以替代原先那种高达1公里的巨型天线了；最后，现在的机器人足以从事很多复杂的安装工作。

这些进展有的是在1995年提出的，是在一个由NASA授权，叫做“新观察”的可行性研究中提出来的。虽然这个研究发现了有利的前景，NASA却并没有继续这个项目，而是在2001年取消了其研究基金。根据曼金斯的说法，这个决定是受到了一些政府官员的观点影响，他们认为研究新能源不是NASA的分内工作。与此相似，美国能源部对太空技术也没有表现出很高的热情。

而在日本，情况却完全不同。上世纪80年代，日本就已经在几个大学开展了对这一理论的研究，国家在这个项目上将陆续投资1200万美元。该研究由森政弘领导，JAXA和日本经济、贸易和工业部共同出资。经过大约10年的奋斗，现在其初期试验工程已近完成。森政弘说，太空太阳能对这个国家的未来是关键的，日本是一个自然资源很少，并大量依赖外来能源的国家。而这种太空太阳能系统是惟一能满足日本未来需要的大规模、稳定、国立和清洁能源的选择。

森政弘的目标是创建一个耗资10亿美元以下，发电10亿瓦特的设计，成本是每度电7美分到8美分，相比之下，烧煤的火力发电价格是每度电5美分，核电的成本是每度10美分；森政弘的设计包括两个太阳能聚能镜，可以把周围2.5到3公里的太阳光聚集在两个直径1.25公里的太阳能电池板上。这些太阳能被连接到一个直径1.8公里的微波发射器上，这个装置把能量束射到地面接受站。森政弘认为，这个系统可在2030年建成。

神户大学和东京大学的无人宇宙实验自由航空器研究所(USEF)也一直在从事这一竞争。他们把注意力集中在减少飞行器重量和削减发射成本、以及改进太阳能电池的效率和开发利于发热的硬化电池上。

去年，神户大学和东京大学的另一个研究小组把一个简单的概念付诸实验。他们把一个卫星发射到离地210公里的小轨道飞行高度，配置了一个130平方米的网，这个网实际上是用蜘蛛网制成的，它与一个微波发射器连接，可以将能源束射回地球。此项实验是成功的，但全部的研究结果尚未公开发表。

更多的争论

对于美国国家安全太空办公室(NSSO)来说，太空太阳能的吸引力就在于它可能有军事应用价值。今年，这个部分归属于五角大楼，由空军中校麦克尔•郎•史密斯负责的办公室接受了一项调查太空太阳能的任务。虽然史密斯没有资金进行正式调查，但是他招募来一组学术界和工业界的志愿者专家，通过博客和论坛参加在线讨论。最终他们在今年9月美国科罗拉多州召开了会议，拿出了一份报告。报告建议美国政府在未来的10年中花费100亿美元研制能够为地球束射10兆瓦能源的小型卫星。如果该项目成功，将诱使私人企业参与并开发此项技术。

太阳能卫星将处在一段狭窄的微波区段上，这样就让任何在该卫星视线范围内的军事基地都可以成为接收目标。一种可能就是战地士兵可身穿接收天线吸收微波，然后给他们身上的电子设备充电。即便这种应用永远不能实现，向地面束射也将成为一种划算的、为一些遥远的军事基地提供的可供选择的发电方式，其成本将为每度1美元，大约是目前民用电价格的10倍。麻省理工学院的航空系统工程师奥利维尔•德威克说：“这是我所听到的最早的实际应用。”

参与起草NSSO报告的官员重复说，军方想成为太空太阳能的一个“客户”，而不是自己去研究它。报告还提出了成立监管该项目的新政府机构的可能性，但是，却没有指出如何筹集资金。

在政府的圈子里，对太空太阳能的热情是受限制的，人们不会对即将出版的麻省理工学院的会议报告怀有太大希望。NASA格林研究中心的杰夫•兰迪斯是与会者之一，他指出：“总的结论是，如果我们再做出一些突破，这个项目就是可行的。”他认为两个领域是关键：一个是太阳能电池的容量从现在的每公斤400瓦提高到每公斤1000瓦；再一个就是降低太空发射成本，把它从今天的每公斤20000美元降低到每公斤500美元。

其他的问题更难处理。罗格•安琪尔是亚利桑那大学的太阳能狂热者，他也参加了麻省理工学院的会议。他说：“你要思考的是，上天获得了什么，又失去了什么，除了储存和传输的问题，这里还有一个相当巨大的成本价格。”他认为在地面上我们可以获得比太空更便宜的太阳能。

德威克正在关注利用集中光束能的安全问题。他说，“它可能是危险的，我们并不知道如果飞机误飞入这样的高能光束，后果会怎样？假如一个故障引起束能位移，这些高能波照到人多的地区又该怎么办？这些都是足以毁掉这个项目的疑问。”

麻省理工学院的建议似乎是很有影响力的，假如这些建议被肯定，太空太阳能将重返议事日程，如若不然，这个被议论了40年的理论或许又将再度被束之高阁沉寂几十年。