空間太陽能助力全球實現“碳中和”

據世界經濟論壇網近日報道，英國政府正考慮投資160億英鎊，建設空間太陽能電站。空間太陽能電站是英國政府“凈零創新組合”項目將投資的技術之一，被視為可助英國到2050年實現凈零排放的潛在措施之一。

美國加州理工學院科學家也正在開展一項具有先鋒性的“空間太陽能發電項目”，而且美國海軍研究實驗室2020年在太空測試了太陽能模塊和能量轉化系統。此外，中國也在建造自己的空間太陽能發電站。

那么，太空中的太陽能發電站將如何運作，能帶來哪些好處，又面臨哪些挑戰呢？

優點多多

據世界經濟論壇網報道，到2050年，全球能源需求預計將增長近50%。

位于軌道上的空間太陽能電站一天24小時都可以接收太陽光，因此可以持續發電，這比地球上的太陽能發電系統更具優勢——后者只能在白天發電，并且受天氣影響。因此，空間太陽能發電可能是幫助滿足全球能源部門日益增長的需求和應對全球氣溫上升的關鍵。

空間太陽能發電需要在太空收集太陽能并將其傳送到地球上。為此，空間太陽能發電系統需要一顆太陽能衛星，即一臺裝有太陽能電池板的巨型航天器。這些電池板可以發電，然后通過高頻無線電波將能量無線傳輸到地球，而一種名為硅整流二極管天線的地面天線將把無線電波轉換成電力，再將其傳送至電網。

前景可期

利用漂浮在太空中的巨型太陽能發電站向地球發射大量能量，這聽起來像科幻小說——20世紀20年代，俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基首次提出了這個設想。在很長一段時間里，它成為作家們的靈感來源。1941年著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫發表的短篇小說《推理》，就描述了這樣一個能收集太陽能、并通過微波向行星傳遞能量的空間站。

此后，基于太空的太陽能利用就成為一個長盛不衰的想法，而最近的技術進步使科學家們對其前景更為樂觀。這些技術包括輕型太陽能電池、無限能量傳輸和太空機器人技術等。

建造空間太陽能發電站首先需要解決的是太陽能電池板的重量問題，不過，這已經通過開發超輕太陽能電池得到了解決。2017年，美國加州理工學院的研究人員提出了一個模塊化發電站的設計，該發電站由數千塊超輕型太陽能電池瓦組成。它是迄今為止最輕的集成多功能原型機，能夠收集陽光，將其轉換成射頻電能，然后以受控光束無線傳輸這種能量。

另外，空間太陽能電站基于模塊化設計，大量太陽能組件可由機器人在軌道上組裝而成。此外，把所有這些組件運入太空難度大、成本高，但像美國太空探索技術公司（SpaceX）這樣的公司正在努力改變這種狀況，其研制出的“獵鷹”火箭可重復使用，功能更強大的“星艦”火箭也即將進入關鍵的試飛階段，有望大大降低空間發電成本。

仍有挑戰

弗雷澤-納什咨詢公司最近的一份報告認為，英國投資100多億英鎊建設空間太陽能電站是可行的。該項目預計將從規模試驗開始，2040年建成并投入使用。屆時這顆太陽能衛星的直徑將達到1.7公里，重約2000噸。地面天線的面積約為87平方公里。

據美國消費者新聞與商業頻道網站報道，中國正在考慮建設太陽能發電站的計劃，包括在2021年至2025年建設中小規模平流層太陽能電站并發電；2025年后開始大規模空間太陽能電站系統相關工作。根據有關專家組論證建議，中國應力爭在未來十余年完成空間超高壓發電輸電及無線能量傳輸試驗驗證，實現“2030年開始建設兆瓦級空間太陽能試驗電站，2050年前具備建設吉瓦級商業空間太陽能電站的能力”的中、遠期目標。

但世界經濟論壇網的報道指出，即使我們成功建造了一個空間太陽能電站，其運行也面臨若干實際挑戰，例如太空碎片可能會破壞太陽能電池板。太空碎片是廢棄的運載火箭或航天器部件，它們在地球上空數百公里處漂浮，由于太空碎片以25266公里/小時的極快速度在近地軌道上飛行，因此一旦發生碰撞，可能會對衛星或航天器造成嚴重破壞。

另一個問題是，從太陽能衛星向地面傳輸能量難度很大，科學家們需要提高無線能量傳輸的效率，按照現有技術，收集到的太陽能只有一小部分可到達地球。