30厘米的突破:天基太阳能电站不再是科幻.pdf
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1、太空探率视点30厘米的突破:天基太阳能电站不再是科幻文/迟惑2023年6 月,美国加州理工学院的天基太阳能团队宣布,自己发射到宇宙里的SSPD-1卫星,成功演示了微波电力传输技术。在这颗卫星上携带了一个叫做“低轨道电力传输微波阵列实验”(MAPLE)的设备。正是这个小设备,证明了天基太阳能电站并不是科幻,而是可以通过努力实现的天基基础设施。SSPD-1卫星在轨展开4012023.08SPACEEXPLORATION视点太空探索MAPB.APiF.BOABRUNETAAYANGSSPD-1卫星收发试验设施内部加州理工的试验“通过汽今为止进行的实验,我们确认,MAPLE可以成功地将电力传输到太空中
2、的接收器。”天基太阳能项目联合主任阿里哈基米里博士在一份声明中说,“我们还能够对阵列进行编程,让能量流向地球。我们在加州理工学院曾经做过地面试验。现在我们知道,样机可以适应太空之旅,并在太空里运行。”当然,MAPLE还没有实现把电力从宇宙直接传回地球。用来接收微波电力的,是两个独立的接收器阵列。它们到发射机的距离只有一英尺,也就是3 0.4 8 厘米。所接收到的电功率,可以点亮一对LED灯泡。或许有人会说,一英尺和地球静止轨道相比,真的差了十万八千里。不过它的意义在于,第一次实现了在宇宙空间里用微波传输电力,而不仅仅是遥感信息。早在SSPD-1卫星发射之前,加州理工的科研人员就在摩尔实验室屋顶
3、上架设了一套试验设备,取得了初加州理工的SSPD-1卫星研制人员步成功。SSPD-1卫星这次试验的意义在于把输电和受电设备真的搬到太空里,暴露在恶劣的太空环境中,经受温度的大幅波动和暴露于太阳辐射的影响,还能正常工作。未来投入业务运行的大型电站,同样需要面对这样的条件。哈基米里博士表示,“据我们所知,还没有人在太空中演示过无线能量传输,即使是昂贵的刚性结构也没做到。而我们用灵活、轻质的结构和自己的集成电路来做到这一点,这是第一次。”哈基米里博士解释说,在太空里SPACEEXPLORATION2023.08I 41太空探率视点加州理工的科研人员在进行地面试验加州理工科研人员在组装卫星通过无线传输
4、能量,与光的干涉现象有关。当两束光波重叠在一起的时候,如果相位相同,那么波峰就会叠加,称为建设性干涉。如果相位有差异,没有对准,甚至导致了一束光的波峰对准了另外一束光的波谷,就会相互抵消,称为破坏性干涉。如果有多个发射源一起工作,那么人们可以设法把能量引导到一个方向,让建设性干涉只发生在一个方向上,在所有其他方向上都相互抵消。这样,就可以把能量集中在一个很小的区域,甚至比发射阵列的面积还小。通过精确控制方向,可以把微波能量发射到不同的位置,比如地球上的接收阵、太空里的其他位置。调整时间以纳秒计,而且不需要任何机械部件的运动。向太空里的其他位置发射电力,似乎在此前的天基太阳能发电中很少有人提起,
5、但是需要注意,在阿西莫夫早期的科幻小说中,天基太阳能电站就是为进出大气层的飞船服务,需要电站用多个波束精确跟踪飞船的运动。哈基米里博士和团队现在正在评估MAPLE各组成部分的性能,估计耗时6 个月。所总结出来的经验教训,将用于设计完整版本的工程样机。SSPD最终将由一组模块化航天器组成,收集阳光,将其转化为电能,然后将其转化为微波,再将其发射到很远的距离,包括传回需要能量的地球。这可能包括目前现有能源基础设施服务不佳的全球地区。“就像互联网使信息获取大众化一样,我们希望无线能量传输使能源获取大众化,”哈基米里博士总结道。“地面上不需要任何能量传输基础设施来接收这种电力。这意味着我们可从太空向英
6、国发射微波能量的设想以向偏远地区和遭受战争或自然灾害破坏的地区输送能源。英国人的想法不但是加州理工,最近不少机构都在讨论,是不是应该立刻动手研究天基太阳能电站。具体的驱动力还不是赚钱,而是气候变化。根据联合国气候变化专门委员会的数据,到2 1 世纪末,全球温度会4212023.08 SPACEEXPLORATION视点太空探索在静止轨道上可以做到2 4 小时发电上升2.5 摄氏度。这比国际气候科学界认为安全的值高出1 摄氏度。温度上升会带来南北极冰盖融化、海平面上升等一系列问题。虽然有的科学家认为,地球的温度周期就是在起伏变化的,但人类至少可以做些什么来防止这个过程发生得太快。有科学家认为,为
7、了将变暖限制在该阈值附近,世界经济必须在2 0 3 0年前把温室气体排放量减少4 5%,这意味着在很短的时间内逐步淘汰大量消耗化石燃料的技术。比如说,英国至少需要3 0 4 0 吉瓦的持续新能源发电,才能摆脱所有化石燃料发电,这相当于建造3 0 多个新的核电站。30多个核电站的建造周期和难度是可想而知的,而且还有可能造成新的环境隐患。所以,一批英国企业家和科学家提出,不妨试试空间太阳能发电厂,在未来的无排放基础设施中占有一席之地。甚至有人提出,英国在2 0 3 5 年之前就该建造第一个天基电站。伊恩卡什是一位英国工程师,是英国电子工程师和国际电气公司董事。他的轨道太阳能发电厂概念称为CASSI
8、OPeiA(意思是恒定孔径、固态、集成、轨道相控阵)。这个概念已被英国政府采纳,作为未来天基太阳能发电厂演示项目的起点。作为这项技术的坚定倡导者,卡什认为,在太空中开发和建造太阳能发电站,比破解核聚变的挑战要少。当谈到基于太空的太阳能时,卡什在接受采访的时候表示,对于天基电站,“没有什么科学难题需要解决。1970年代以来,人们已经解决了这一切,当时美国宇航局与美国能源部进行了一项非常大规模的研究。实际上,自从人类首次将通信卫星发射到地球静止轨道,已经证明了这背后的物理学。我们有太阳翼面向太阳,有卫星的主体,有抛物面碟形天线或者相控阵天线面向地球。所有的原则都是一样的,把太阳能转化为电能,将其转
9、换为微波并将其发射到地球。唯一不同的是光圈的比例。苏格兰斯特拉斯克莱德大学先进空间概念实验室的研究员安德鲁威尔逊正在领导天基太阳能可行性的研究,他也认为:“我认为没有需要开发的技术,没有什么是真正需要发明的。”那么在英国人看来,天基太阳能电站有哪些优点和缺点呢?三大优点功率大英国科学家之所以热衰于天基太阳能,不但是因为本国缺少核电站的工业基础,也是天气导致的。英国是个多云多雨的国家,英国绅士们身穿风衣、携带雨伞的形象非常经典。不过这对于光伏发电来说不是什么好现象。如果在英国布置光伏电厂,产生的电力少得可岭。但是要把光伏电站搬到天上去,事情就大不相同了。根据科学家们的计算,在轨道上设置太SPAC
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