在太空建太陽能發電站!英國人提出大膽猜想,難度卻堪比登天

把太陽能發電站送到天上!這不是開玩笑,最近,英國方面已經開始討論建設太空中的太陽能發電站了!地面上就有這麼多太陽能發電站,為啥要把它送上太空呢?

天基太陽能發電站有一個好處,那就是沒有地面上的黑夜,也沒有云層遮擋,它可以一天24個小時一直接受光照,進行發電,效率非常高。如果能夠擁有這樣的太陽能發電站,人類就可以獲得更多的清潔能源。

據推測,到2050年,全世界的能源需求將比今天提高50%左右。與此同時,英國之前公布的計劃也是在2050年左右實現碳的凈零排放。為了滿足這兩個預期,天基太陽能系統被寄予厚望。

你可能覺得這太扯了,就算太空中有太陽能發電站,能量怎麼傳輸到地面呢?

其實這個問題并不難,在太空中收集到的太陽能,可以通過高頻無線電波傳送到地面。在地面上,可以建設一個地基矩形天線,將這種電波轉化為能源,輸送到電網。無線電力傳輸技術經過長期的發展,目前已經具備了一定的可行性,這使得天基太陽能系統變為可能。

實際上,太空太陽能發電站的概念并不新鮮,然而始終沒有國家真的要去建造這種設施。原因很簡單,那就是其中的難度太大,難以實現。上面說到的能量傳輸問題還是小菜一碟,真正的困難是成本以及可行性問題。

為了在太空中收集足夠多的能量,天基太陽能系統的太陽能衛星需要配備一個非常巨大的太陽能電池板。面積越大,接受的光照越多,獲得的能量就越多。然而,太大的太陽能電池板是無法直接放進火箭整流罩中的,甚至折疊之后都放不進去。除了尺寸之外,太陽能電池板的重量也會造成這方面的限制。

怎麼辦呢?根據設想,這些太陽能電池板需要分開發射,然后由機器人在軌組裝。

這個組裝的過程中遇到的技術難題,比如空間機器人技術等問題,就比較嚴重了。更嚴重的是,這里面還涉及到成本問題。別看世界上隔三差五就有一大堆衛星被送上太空,實際上火箭發射的成本仍然非常高昂。

這里涉及的不僅是經濟成本,還有能源成本。盡管天基太陽能系統的目標是減少碳排放,但發射時所用到的火箭排放的碳也相當多。如果控制不住這一點,那就得不償失了。為了解決這個問題,它的太陽能電池板必須足夠輕。因此,多年以來,科學家們也一直在研發超輕太陽能電池,并取得了一定的突破。

即便如此,火箭的發射成本還是比較高昂的。目前世界上最便宜的火箭發射,就是馬斯克的space X公司了,因為他們的火箭是可以回收的,這可以大幅降低火箭發射成本。因此,如果英國正式開始天基太陽能系統的建造,很可能會求助于馬斯克。

就算太空太陽能發電站建設的問題解決了,未來的運行過程中,也會面臨著各種各樣的挑戰,比如:如此巨大的太陽能電池板,如何防止太空垃圾的撞擊?沒有大氣層的遮擋,太陽能電池板雖然可以獲得更強大的陽光來發電,但也會大幅減少其工作壽命,使其發電能力下降,這該怎麼辦?

還有就是,上面提到的無線電力傳輸的技術,雖然已經得到了一定的發展,但按照目前人類的技術,這樣的大距離傳輸仍然是比較困難的。科學家推測,目前人類能夠建造的天基太陽能系統,只能將收集到的一小部分太陽能傳輸到地球,效率很低。

這不是說天基太陽能系統無法實現,恰恰相反,現在開始進行研究,還是可以取得技術突破,使其成為現實的。根據一家咨詢公司給出的報告,英國完全可以進行一個價值170億英鎊的巨大項目。這個項目可以從小型試驗開始起步,預計在2040年就能夠獲得一個可運行的太陽能發電站了。

根據預測,這顆太陽能發電衛星的直徑大約是1.7公里,重達2000噸——確實又大又沉,需要多次火箭發射任務。地面的接收天線陣列也非常巨大,尺寸為6.7公里乘以13公里。對于英國來說,該國的土地面積比較有限,這樣的天線陣列最好是架設在海面上。

研究人員推測,這顆衛星有望為英國提供2GW的電力。作為對比,英國的發電能力大約是76GW。雖然占的比例不高,看起來貢獻量不太大,但這個發電量也相當可觀了。隨著未來技術的發展和成本的下降,更大規模的天基太陽能發電系統或將扮演更重要的角色。不過在初期,由于成本過于高昂,除了政府投資之外,英國方面或許還需要一些私人投資。

除了英國之外,美國方面也在進行這方面的研究,嘗試開發更加高效的太陽能電池以及能量傳輸系統。2020年的時候,美國海軍研究實驗室就在太空中進行過一次太陽能模塊和電力轉換系統的測試,可見他們對此也是非常重視的。


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