未来不是梦

6. 太空采能：未来不是梦

向空间索取能源——梦想将成现实

20世纪以来，随着世界经济的不断发展和人口的迅速增加，能源总消耗量和人均消耗量一直处于持续增长的势头。而现在人类主要使用石油、天然气、煤作为能源。这些能源属于不可再生的能源，在最近200年内，地球上的矿物燃料都将面临枯竭的危险。此外，矿物能源在燃烧过程中会排放CO₂等污染物，引起温室效应和气候变暖、臭氧空洞等不良后果，严重危害地球环境。因此，寻找新能源便成为世界各国政府和科学家亟待解决的紧迫任务。

在寻找新能源时，有远见卓识的人们把目光投向了地球之外的太空，投向了不断供给大地光和热的太阳。早在20世纪20年代，苏联的科学家弗里德里希·灿德尔就提出了利用太阳帆、乘着太阳风（光压）遨游太空的设想。然而，在科学技术尚不发达的时代，无论多么美好的设想也不过是一种梦幻。20世纪50年代，第一颗人造地球卫星的成功发射，揭开了人类空间时代的第一页。随着世界航天技术的长足发展，时至今日，向空间索取能源，不仅成为解决地球能源危机的必要之举，而且已使人们原先的梦想变为在不远的未来可以实现的现实。

太阳能——21世纪的新能源

太阳能是地球上唯一外来的永不枯竭的能源，而且不会产生任何污染。地球接受到的太阳能只占其发射总能量的千万分之三，但这个能量很大很大。据估算，地球上每天接收到的太阳辐射能约为3.9×10²⁴焦耳，这相当于燃烧86亿吨石油，约等于地球上石油总蕴藏量的1/4。开发利用太阳能的前景十分广阔，所以有人说：“太阳能是未来的能源。”更有人直截了当地说：“太阳能是21世纪的新能源。”

太阳能的直接利用可分为两大类：太阳能转换为热能和太阳能转换为电能。太阳能转换为热能是太阳能利用技术中最为成熟的一种。其中主要有太阳能热水器、太阳能干燥装置和太阳能集热装置。太阳能发电则是世界各国目前正在致力研究和实践的课题。太阳能发电可以分为太阳热发电和太阳光发电两类。太阳热发电是利用太阳能转换变成热能、从热能再转变成电能。太阳光发电是一种光—电转换过程，是利用半导体材料制成的太阳能电池把太阳能直接转换成电能。现在转换效率比较高的（达13％~20％）一种太阳能电池是硅太阳能电池。其他还有硫化镉电池、碲化镉电池、砷化镓电池等。太阳能电池已经在人造卫星和宇宙飞行器上实际应用。

太阳能的利用前景十分诱人。20世纪80年代以来，世界上许多国家在阳光充足的地区相继建成了规模不一的太阳能发电站。但是，地面上的太阳能发电站，一遇阴、雨天便无法进行工作；即使是晴天，一天最多也只能一班作业。怎样才能让太阳能发电站一天24小时连续工作呢？答案是：天上发电——用太空太阳能电站直接从空间采集太阳能。人们设想了两种方案：

一种方案是建造太阳能卫星，即在地球轨道上部署大型太阳能采集器，通过光电转换把太阳能转变成电能（这一点目前已经做到，世界各国发射的航天装置大多数都是利用半导体光电元件把太阳能直接转变成电能的），然后把采集到的能量以微波形式定向传送到地面，地面接收站通过整流天线再把微波能转换成可以利用的电能（图4-4）。

图4-4　太阳能发电卫星传输示意图

微波是一种波长较短的电磁波。微波输电采用的频率与家用微波炉的频率相同，也是2450兆赫，但波长却比交流电短得多——交流电的波长为6000千米，而输电用的微波，波长约为12厘米。卫星上太阳能发出的电力，经过转换变成微波，由直径达1千米的巨大碟形天线射向地球。那微波射束就像手电筒射出的光柱。到达地球时，这粗大的“光柱”（微波束）将覆盖43平方千米的面积，直径达7.4千米。地面上直径为7.4千米的巨大天线负责接收从太空射来的微波能量，转换成电能后，就可以用电线送到用户家中了。

早在1968年，一位名为彼得·格拉泽的美国科学家便提出了建造此类“太空太阳能发电站”的周密设计和实施计划。在格拉泽的设计中，太阳能电池板的空间面积达50多平方千米，向地球传送电力的微波发射天线的直径达1千米，整个发电站的总重量超过5万吨。要建成这样的“庞然大物”，只能借助航天飞机把各种零部件一次次运送到太空，然后在那里组合安装。由于投资太大，这套吸引人的方案提出之后便被束之高阁。进入90年代，鉴于化石燃料（煤、石油等）对大气的严重污染，格拉泽的计划又重新燃起了科学家们建立太空电站的热情。1991年8月，世界各国的几十名太阳能专家聚集法国巴黎，专门讨论了太空太阳能电站的问题。会后不久，美国航空航天局和能源部宣布，从1995年起，开始实施建立首座太空电站的试验方案。人们计划利用现代空间技术，在低地球轨道上组装一颗庞大的发电卫星，然后利用卫星上的推进器，把卫星送入地球同步轨道，也就是地球赤道上方3.6万千米的位置。这个发电卫星绕地球公转一周正好是24小时，从地面上看，它好像是固定地悬挂在空中一样。卫星上安装了巨大的太阳能收集转换器，实际上就像在超级足球场上铺满了太阳能电池。这个巨大的太阳能电池陈列面积大约有100平方千米，能发出1000万千瓦的电力，相当于10座100万千瓦核电站的发电能力。然后，在纽约州北部建立一个有十几个足球场大的地面微波接收站，接收从太空电站用微波发回的太阳能。

在现阶段，大规模微波输电的问题尚未得到解决。不过据报道，前不久，日本科学家利用微波成功地将5千瓦电力传输了50米距离，在世界上首次实现了电力的无电缆输送。这一实验的成功，为实现空间太阳能发电站的电能直接向地球传输铺平了道路。

另一种方案则是建立月球能源系统，即在月球表面安装太阳能采集器，再设法把能量送到地面。建造这种能源系统时要在月球轨道上安装反射镜和在地球轨道上安装微波反射器。这样，当月球处于夜间时，太阳光可通过月球轨道上的反射镜照到太阳能采集器上；当地面上看不到月球时，微波可以通过地球轨道上的反射器传送到地球接受站。此外，不久前，美国国家宇航局还提出了在月球上建设发电站的又一种新设想。此方案巧妙地利用了两个特点：第一，月球自转轴基本上垂直于地球绕日公转的轨道平面；第二，月球自转周期与地球公转周期相等。人们设想既利用月球表面温差进行发电，又可使月球电站不受季节、昼夜、气候（月球上无阴雨天）影响，使之始终如一地发电。而且由于月球与地球相对一面始终不变。因而可以在这一面放置送电装置，往地球表面送电。

“好风凭借力，送我上青云。”依靠现代科学技术，向空间索取能源，在新的世纪里将不再是一种梦想。

【注释】

[1]恩格斯.《反杜林论》.北京：人民出版社，1970，112.

[2]煤的化学组成（平均值）为：C的含量为80％~90％，H的含量为3％~6％。

[3]工质：“工作介质”的简称。在各种机器中借以完成能量转化的媒介物质，如汽轮机中的蒸汽、制冷机中的氨等。

[4]热藏：指地壳深处蕴藏的热能资源。