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下雨天如何获得太阳能?从太空发射!

2019/12/04 14:55
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一个有着几十年历史的想法终于有机会发光了——那就是有机会将卫星收集的阳光送到地球上。

今年早些时候,一小群观众聚集在位于马里兰州的海军室内波浪水池——大卫·泰勒模型水池(David Taylor Model Basin),观看他们看不见的东西。在设施的两端各有一根13英尺长的杆子,杆子顶端有一个小立方体。一束强大的红外激光束从其中一个立方体射出,击中对面立方体内的一排光伏电池。然而,在肉眼看来,它就像是一堆虚无。唯一能证明有什么事情发生的证据来自附近的一个小咖啡机,它正在用系统产生的能量生产“激光拿铁”。

激光装置成功地在数百米的空气中传输了400瓦的能量——足够几台小型家用电器使用——而没有移动任何物体。负责该项目的海军研究实验室希望利用该系统向飞行中的无人机发送电力。但电子工程师Paul Jaffe将目光投向了一个更加雄心勃勃的问题:从太空向地球发射太阳能。几十年来,这个想法一直被保留到未来,但一系列的技术突破和大规模的政府研究项目表明,遥远的一天可能终于到来了。

自从阿西莫夫(Isaac Asimov)在20世纪40年代初的科幻小说中首次提出太空太阳能发电的想法以来,科学家和工程师们已经提出了几十个方案,希望把这个概念变成现实,其中包括可充气的太阳能电池阵列和机器人自组装。但基本的想法都是一样的:轨道上的巨型卫星从太阳获取能量,并将其转化为微波或激光传输到地球,然后再转化为电能。太阳永远不会在太空中落下,所以太空太阳能发电系统可以为地球上的任何地方提供可再生能源,无论白天黑夜,风雨无阻。

就像核聚变能源一样,太空太阳能似乎注定要成为一项永远遥不可及的技术。技术问题不断出现,成本估计仍然居高不下,随着太阳能电池变得更便宜、更高效,太空太阳能的需求似乎在减少。

这并没有阻止政府研究机构的尝试。1975年,在与美国能源部合作进行一系列太空太阳能可行性研究后,美国国家航空航天局利用一个巨大的微波碟向一英里内发射了30千瓦的电力。定向能是太空太阳能的一个重要方面,但这次试验仍然是迄今为止该技术最有力的展示。Jaffe说:“事实上,距离NASA的演示已经过去了45年,太空太阳能并不是国家的当务之急,所以很多这项技术并没有实质性的进展。”

John Mankins是美国国家航空航天局(NASA)前物理学家和太阳能空间技术主管,他亲眼目睹了政府的官僚作风如何直接扼杀了太空太阳能的发展。上世纪90年代末,Mankins为美国国家航空航天局撰写了一份报告,认为是时候重新认真对待太空太阳能了,并领导了一个项目,对一个卫星系统进行设计研究。尽管取得了一些可喜的成果,但该机构最终还是放弃了它。

2005年,Mankins离开NASA,成为一名顾问,但他无法动摇太空太阳能的想法。他自己做了一些适度的太空太阳能实验,甚至在2011年获得了NASA创新先进概念项目的资助。Mankins称其为“第一颗实用的太阳能卫星”。曼金斯说,这个想法是“用成千上万的小碎片建造一个大型的太阳能卫星。”他的模块化设计至少在原则上大大降低了硬件成本。

Jaffe刚开始在海军研究实验室研究太空太阳能的硬件,他对Mankins的想法感到兴奋。当时他正在开发一个“三明治模块”,由一面小太阳能板和另一面微波发射器组成。他的电子三明治展示了一个真正的太空太阳能系统的所有元素,也许最重要的是,它是模块化的。他认为,它可以与Mankins的概念完美结合。他们所缺少的只是把这个想法从实验室带到太空的财政支持。

Jaffe找到Mankins,邀请他加入一个小型研究团队,参加国防部举办的一项竞赛。他们计划在竞赛中推销一种基于sp - alpha的太空太阳能概念。2016年,该团队向最高国防官员提出了这个想法,并最终赢得了七个奖项类别中的四个。Jaffe和Mankins都认为这是美国政府重新对太空太阳能产生兴趣的关键时刻。

他们可能是对的。今年10月,美国空军研究实验室宣布了一项价值1亿美元的项目,为一颗太阳能卫星开发硬件。这是在轨道上首次展示太空太阳能的重要第一步,Mankins说,这可能有助于解决他认为的太空太阳能的最大问题:公众的看法。这项技术看起来就像天上掉馅饼,而在地球上建立太阳能电池阵列的成本正在直线下降。但是太空太阳能有其独特的优点,其中最主要的是无论天气或一天中的什么时候都能全天候获得太阳能。

它还可以为偏远地区提供可再生能源,比如为军队提供前沿作战基地。当野火迫使公用事业公司PG&E多次切断加州数千居民的电力供应时,通过云层和烟雾提供可再生能源似乎不是一个坏主意。(颇具讽刺意味的是,早在2009年,PG&E就与一家名为Solaren的公司签订了一项购买太空太阳能的协议,这还是第一次。该系统本应在2016年开始运行,但从未实现。)

Jaffe说:“如果太空太阳能真的起作用,其地缘政治影响怎么说都不为过。有了GPS,我们就想当然地认为,无论我们在这个星球的什么地方,我们都能获得精确的导航信息。如果同样的事情可以用在能源上,那将是革命性的。”

事实上,似乎有一种新兴的竞赛成为利用这项技术的第一人。今年早些时候,中国宣布将成为第一个在太空中建造太阳能发电站的国家,而日本十多年来一直将发展太空太阳能发电站视为国家优先事项。现在美国军方已经加入了一个价值1亿美元的硬件开发项目,在太阳系中建立太阳能发电厂可能只是时间问题。

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