太空电站：解决人类能源危机的终极出路？
2021-08-09霍思伊
霍思伊
有没有一种“一劳永逸”的办法，可以彻底解决人类的能源危机？
地球上所有的能源都来自太阳，无论是煤炭、石油、天然气等化石能源，还是水、风、太阳能等清洁能源，都与太阳有关。化石能源带来大气污染且很快将耗尽，风、光和水能并不稳定，实际发电量占比仅为23.6%。在大规模储能技术取得重大突破之前，仅依靠可再生能源提供持续稳定的能源供给也不现实。
那么，可不可以在太空建一座电站，直接吸收太阳能并转化成电能，再传输到地球？这就是“空间太阳能电站”（简称“太空电站”）。中科院院士葛昌纯于2021年5月撰文指出，空间太阳能电站与可控核聚变电站被认为是两种最有可能的终极能源解决途径。但可控核聚变目前仍处于基础科学研究有待突破的阶段，而空间太阳能电站不存在基础科学问题，虽然工程规模巨大，但相关技术经过持续研发是能够在一定时间内取得重要突破的。他预计，在本世纪下半叶，中国将会形成空间太陽能发电产业，成为中国能源基础设施的重要组成部分。
眼下，中国正朝着这一目标迈出第一步。2021年6月18日，在重庆市西边的璧山区福禄镇和平村，璧山空间太阳能电站实验基地宣布正式开工建设。很快，一个50～300米高的浮空平台将从璧山升起，这是一个中小规模的气球阵，科学家们会尝试先从这个高度往地球输电，下一步则是平流层，距离地面有22公里。
到太空去逐日
太阳辐射在穿过地球大气层时，可能遭遇云、雾、雨、雪等各种天气现象，云层会反射大部分太阳光，因此长年多云的地区可接收到的太阳能总是不足，这就是大气对太阳能的衰减作用。
因此，和地面太阳能电站相比，太空电站的最大优势是它的稳定性。中国工程院院士、重庆大学通信与测控研究所所长杨士中指出，由于大气层衰减，地面太阳能电站可产生的电力有限，有很明显的区域差异。比如，在日照充足的中国西北地区，一平方米的光伏电池可产生0.4千瓦电力，在雾都重庆，仅为0.1千瓦。但在距离地球表面约3.6万公里高度的地球同步轨道上，发电功率可高达10千瓦～14千瓦。在太空中，既可以完美避开大气层的衰减，也不受昼夜、季节影响，99%的时间内可以稳定地接收太阳辐射，可以全天候大规模发电，发电效率是地面的几十倍。
太空电站的远距离无线能量传输载体有微波和激光两种，相较而言，微波的能量传输效率更高，云层穿透损耗低，安全性较好，且技术相对成熟，因此，现行方案多以微波传输为主。
1968 年，美国彼得·格拉赛博士首次提出太空电站的构想。整个20世纪70年代，美国政府投入了约5000万美元对此进行研究，直到1979年，设计出全世界第一个具体的概念方案，名为“1979-SPS基准系统”。在当时的全球石油危机大背景下，美国宇航局（NASA）与能源部是以21世纪全美一半的发电量为目标进行设计，计划在地球同步轨道上部署60个发电能力各为5GW（百万千瓦）的太空电站，整个系统算下来共需要2500亿美元。
西安电子科技大学校园内的试验塔，用于在地面全链路演示段宝岩团队独家设计的OMEGA方案。图/受访者提供
方案一出，就引发巨大争议。美国国家研究委员会和国会评价委员会的评审认为，该方案技术上可行，但经济上无法实现。此后数年，由于难度大、效率低、成本高，美国对此的研究曾一度停滞。但从2007年起，美国国防部国家安全空间办公室成立了空间太阳能电站研究组，认为太空电站可以为远程基地供电，在军事上有很大的潜在需求。
2011年，国际宇航科学院（IAA）发布了首份对太空电站可行性和前景分析的国际评估报告，报告的主要撰写人之一、曾在NASA负责太空项目多年的约翰·曼金斯在报告发布会上自信地说：“最终，学院的判断是空间太阳能电站不仅在技术上是可行的，并且在未来30年内也会在经济上可行。
日本在微波无线能量传输技术的研究上一直处于世界领先水平，因此在发展太空电站上有天然优势，是第一个将开发商业化太空电站正式列入国家航天计划的国家。2017年，日本公布了最新的发展路线图，要在2050年建成商业化太空电站。
然而目前，除日本2015年3月在兵库县进行过一次无线供受电系统实验外，在全世界范围内，只有中国真正进入地面验证阶段，而其他国家还停留在概念构想阶段。
杨士中是璧山项目的技术负责人。他对《中国新闻周刊》指出，太空电站的关键，在于将电从太空以无线的方式稳定地传输到地面电网，因此，大功率、远距离无线传能技术的突破是一个必须跨越的难关，比如传输效率是否足够大，波束是否指向规定的接收口径，让误差尽可能缩小。这些技术都要先在浮空平台上做试验，为今后真正的太空电站打下基础。璧山项目占地约200亩，总投资约26亿元，目前到位投资为1亿元。
“我们每次发射一颗新的卫星，都要先在高空的气球或飞机上测试，也借此把一些技术问题、科学问题研究明白，然后再用火箭把卫星打上去，璧山实验的作用也是如此。”杨士中解释道。
与此同时，在西安电子科技大学的校园内，由该校教授、中国工程院院士段宝岩组成的团队正在进行最后的调试。段宝岩是中国天线方面的顶尖专家，此前曾负责500米口径球面射电望远镜（FAST）的总体设计。和璧山浮空平台的功能类似，西电在校内架起了一个75米高的支撑试验塔。
段宝岩对《中国新闻周刊》介绍，试验塔上安装了聚光镜、光电转换系统和发射天线，可以在50～60米的高度上向地面进行无线传输，目前已经基本建成。这就是西电“逐日工程”的一部分，它在2018年12月，与璧山项目同时启动。
