太空中的太阳能发电或成地球的能源替代品

北京时间11月27日消息，据国外媒体报道，巨大的太阳能发电站漂浮在太空，将无数能量辐射到地球。这个概念，听起来像是科幻小说中的场景，其实是由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在上世纪二十年代首次提出。一直以来，它也确实是许多科幻作者的灵感来源。但是，一个世纪后，科学家为实现这个概念已经取得了巨大的进步。欧洲航天局已经意识到这些工作的潜力，同时也在为这些项目寻求资金，并预测我们从太空获得的第一种工业资源将是“光束能量”。

气候变化是我们这个时代面临的最大挑战，因此风险也非常之大。从全球温度上升到气候模式改变，气候变化已经影响到全世界的每一个人。克服这一挑战需要我们彻底改变生产和消耗能源的方式。

最近几年，可再生能源技术发展迅速，效率更高、成本也更低。但是采用可再生能源的一个主要障碍在于，它们无法持续提供能量。风力发电场和太阳能发电场只有在风使劲吹或太阳当空照的时候才能产生能量，但我们每一天每一小时都需用电。因此，我们在普及可再生能源之前，首先得找到一种大规模存储能量的办法。

解决这个难题的一个可行办法或许是在太空中产生太阳能。这种方式有很多优点。一个太空太阳能发电站可以一天24小时面朝太阳运行。地球的大气层也会吸收并反射部分太阳光。所以，大气层上方的太阳能电池可以接收更多太阳光并产生更多能量。

但是问题又来了：我们该如何组装、发射和部署如此庞大的结构呢？单个太阳能发电站的面积可能至少要达到10平方公里，相当于1400个足球场那么大。其次，使用轻型材料也至关重要，因为届时最大的成本将是用火箭将发电站送入太空。

一个建议的解决方案是开发成千上万个小的卫星。这些卫星聚集在一起，通过配置可以组装成一个大型的太阳能发电机。2017年，加州理工学院的研究人员曾提出过模块化发电站的设计。该发电站由数千个超轻太阳能电池块组成。研究人员还展示了一块每平方米仅280克的原型电池块。

最近，制造业的发展成果——如3D打印等，也有望用于太空太阳能发电站的开发。在利物浦大学，研究人员正在探索新的制造工艺，以将超轻太阳能电池打印到太阳能帆上。这个太阳能帆是一种可折叠、轻便又具有高反射率的薄膜，可以利用太阳的辐射压力作用，推动航天器前进，而不再需要燃料。研究人员也在探索如何将太阳能电池嵌入太阳能帆结构上，以制造大型、无需燃料的太阳能发电站。

这些方法可以帮助我们在太空中建造发电站。事实上，未来有一天，我们或许可以在国际空间站或未来的绕月球轨道运行的门户站制造和部署发电站装置。

可能还不至于此。尽管我们目前依赖地球上的材料来制造发电站，但科学家也在考虑利用太空中的资源（如月球上发现的材料）直接开展加工制造工作。

上述问题解决后，剩下一个主要挑战是如何将能源传输回地球。当前的计划是将太阳能电池中的电能转换为能量波，然后用电磁场将能量波传输给地球表面的天线。天线进而将能量波变回电能。日本航空航天局的研究人员已经开发了几种设计，并演示了一个可以实现这些功能的轨道系统。

即便如此，在这个领域我们还有许多工作要做。但我们的目标是，太空中的太阳能发电站将在未来数十年成为可能。中国的研究人员已经设计了一个名为欧米伽（Omega）的系统，预期可以到2050年投入使用。该系统在最佳性能状态下，可以向地球电网提供2GW的电力。如果是在地球上用太阳能电池板产生这么多电能的话，那将需要600多万块太阳能电池板。

但是，诸如为月球登陆器供电而设计的更小的太阳能卫星，可以更早地投入使用。如今，全球科学界都在投入大量时间和精力，来开发太空太阳能发电站。我们希望，终有一天，它们可以成为我们应对气候变化的重要工具。
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