向太空索取能源和资源

李大光

如何解决人类社会不断增长的能源需求？这个问题已成为国际社会关注的焦点。近日，根据美国五角大楼的一份报告，美国空军有意建造世界上第一个空间太阳能系统。建立空间太阳能电站的构想无论在技术方面还是经济方面都是可行的。

空间太阳能电站

随着世界经济的发展，电力消耗日益增快，能源不足的矛盾相当突出。另一方面，过分使用煤和石油还可能导致地球自然环境被破环;更大规模发展核电站又担心会构成对人类生命安全的威胁。于是，很多科学家不约而同地想到了太阳能。太阳所释放的能量相当于当前全球所消耗能量的10万亿倍。太阳把辐射到宇宙空间能量的大约20亿分之一穿过1.5亿千米的路程投射到地球上。这能量相当于173万亿千瓦的功率，或者说，约等于每秒钟把550吨原煤的能量输送给地球，这是多么大的财富呀！但是，太阳能的散射面很宽，特别是经过地球大气层时，大部分能量被大气层反射、散射或吸收掉了。在宇宙空间，由于光线不会被大气减弱，也不会被大气阻拦，可以直接受到太阳光的照射，因此如果在那里建造一个太阳能电站，应该是个非常好的主意。美国国家航天学会副主席马克·霍普金斯说：“我们只需要开发其中一少部分，就足以应付我们当前和未来许多年的能源需求。”

最早提出太阳能卫星计划是在1968年，但据初步估计，这个项目需要投入1万亿美元左右，造价如此之高，很大程度是因为宇航员将必须留守在太空，建造相应设备。如今，机器人可完成这项工作，成本比之前降低了100倍。

过去10年间，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）一直为本国的空间太阳能电站系统（SSPS）提供稳定支持。目标是在2030年前向太空发射一颗对地静止卫星，这颗卫星将为地球上50万户家庭提供10亿瓦特电能。目前，日本宇宙航空研究开发机构的研究人员将微波和激光看作是传输太阳能的可能选择。如果是用聚焦光束传输大量太阳能，太空中的传输天线的直径需达到2000米（约合1.2英里）左右，地球上也必须建造一条同等规模或规模更大的接收天线。另一选择就是使用激光。日本科学家正致力于金属合金板的研究，金属合金板能够吸收太阳光，并可直接将太阳光转换为红外线激光束。这一选择的优势在于，激光所需的传输和接收设备是微波所需设备的十分之一。另外，激光不存在干扰通信卫星的风险，使用微波却存在这种问题。然而，激光不能像微波那样可以闯过云层，所以说，如果使用激光，那么约半数的射束能量会在中途丧失。

总体看来，设想中的空间太阳能发电系统基本上由3部分组成：太阳能发电装置、空间微波或激光转换发射装置和地面接收转换装置。整个过程是一个太阳能、电能、微波或激光、电能的能量转变过程。

太空具有重要的开发利用价值

空间具有取之不尽的战略资源

目前，科学研究已经知道，月球和其他行星上，存在着大量铁、硅等资源。科学家对从月球上采回的样品分析结果表明，月球表面的尘埃里含有大约4万亿吨铁、55种矿物，其中6种是地球上从未发现的矿物。另据发现，月球表面还存在有储量为100万吨的氦-3物质，氦-3是核聚变反应堆的理想原料。如果用氦-3取代核聚变中的氘，不仅能解决能源危机，还可以大大减少核污染。据称，仅数十吨氦-3核聚变所产生的能量，就可以满足全球21世纪所需要的全部电能。现在氦-3作为一种重要资源，已引起世界各国特别是一些发达国家的密切关注。人类进入地球轨道和外层空间后会发现，资源不仅仅是人们传统意义上理解的矿藏，特殊的环境和条件也是人类可以利用的重要资源。高远的空间高度位置资源、空间微重力环境、强宇宙粒子射线辐射和高真空环境，这些都有地面所不具备的极其宝贵的资源。

空间技术推动经济高速发展

开发利用空间拉动本国经济发展是当今世界各航天大国的普遍做法。可以说，游弋于外太空的诸多航天器是经济发展的助推器。

如今，在地球轨道上共有3000多颗卫星承担着大量的国防和民用任务，其中50%均属于商业性卫星。密布空中的通信卫星、导航定位卫星、气象卫星、地球观测卫星、地球资源卫星、科学实验卫星对工农业生产和人民生活起到了不可替代的作用。美国空间投资年均超过1000亿美元。 在未来的5年，预计美国和世界其他航天大国的空间投资将达到5000亿美元。在此期间，全球还将发射多颗卫星，其中大多数为商业卫星系统。为把握空间发展的黄金时期，全球有多家大公司正在研制、生产和经营空间系统。美国空间工业正以每年20%的速度急剧增长。空间商业的总收入已超过军事空间的费用，越来越多的民用任务正在向空间转移，以便更快、更好、更有效地完成任务。

大规模开发空间资源，甚至实现空间居住等大胆举措，已成为世界各国航天活动的主旋律。21世纪，人类将登上月球或其他小行星去采矿，发射太阳能发电卫星。美国航天界人士预言，在不久的将来，将有在地球与近地轨道之间航行的新型航天货运客机问世，把在太空中生产的新材料运回地面。在未来30多年内将可能陆续建成太空港，人类将在月球、火星以及其他一些小行星上居住，建立太空工厂、开矿、发展农业经济。

在军事领域的利用价值极大

太空由于其得“天”独厚的地理位置，在夺取信息权，建立战场信息系统，保持信息优势方面具有其他手段所无法企及的优势。由于其他设施只能配置在本国领土上，而滞留在轨道上的航天器则根据国际外层空间法享有超越国界的权利，因此利用天基系统可以最有效地对全球备战情况进行不间断监视，能及时发现敌方发动的导弹和空间袭击，并能确保及时发出警报和对部队实施指挥，而其他设施则只能望“天”兴叹。实践证明，以应用卫星为主的航天系统在军事侦察、通信、打击、导航定位、预警、反导、军事指挥、后勤保障、军事气象等诸方面都有着不可替代的作用，在现代战争中扮演了重要角色，在未来战争中更将成为举足轻重的因素。随着航天系统军事功能的不断发展和完善，航天信息系统在信息化战争中的应用越来越广泛。

在科研领域的利用具有广阔前景

日本无人太空实验自由飞行物研究所设想的太空中太阳能帆板的模型图

大家都知道，我们每天呼吸的空气密度，随离海平面距离的升高而减少，到达100千米以上的高度，已逐渐成为真空。在这样的宇宙空间里，纯净无污染，处于微重力状态的物体可悬浮空中;在这样的宇宙空间里，空气、水受热后不会出现上下对流的情况，比重不同的液体可在一起“和平共处”。这种奇特的环境对人类从事新材料加工，细胞、蛋白质晶体的生长与培养是十分有利的。

物理试验和生物制药的理想场所

在空间可以完成许多在地球表面无法完成的科学试验。空间环境特有的微重力、高能辐射是新型药物的天然“工厂”，使科学家们能了解在地面环境下不能获知的一些生命本质特征，从而进一步揭示生命奥秘和探知疾病。在生物材料加工方面，科学家已分离出地面很难分离的哺乳动物特化细胞和蛋白质，分离纯度比地面高四五倍，这些都给药物学研究带来了新的生机。一些地面不能制造和提纯的药物，在空间这个优良的实验室中就可以完成。美国和俄罗斯的相关研究涉及到微重力的各个领域，中国、西欧和日本更侧重于材料科学、生物及生命科学的研究。美国已利用航天飞机在空间生产出产量大、纯度高的贵重药物，展示了利用空间环境生产生物制剂的光明前景。

太空开发利用开创了许多新兴学科

空间技术是人类进入宇宙空间、探索开发利用空间的一项综合技术。空间技术与信息技术、生物技术、新材料技术以及新能源技术等高新科技的发展，导致了20世纪下半叶发生的给人类社会发展带来深刻变化的新技术革命。空间技术作为高新技术与一般技术相比，有其高度的综合性。它集宇宙学、气象学、物理学，以及电子技术、自动化技术、遥感技术、计算机技术等众多学科与技术成就于一体。开发宇宙空间、发展空间装备，极大地带动了这些学科、技术以及相关工业的发展与创新。

空间开发利用，不仅推动空间技术发展，还形成了诸如卫星气象学、卫星海洋学、空间物理学、空间生物学、空间材料工艺学等众多新兴的边缘学科，极大地推动和拓展了人类对自然界的认识。

【责任编辑】林  京