綠色星空：天文也低碳

□ 編譯 謝 懿

綠色星空：天文也低碳

□ 編譯 謝 懿

位于智利帕瑞納爾的拉西亞天文臺(tái)

天文學(xué)中的碳排放也是你從未想到過(guò)的問(wèn)題。

如果要制定一份科學(xué)中最緊迫問(wèn)題的清單，天文學(xué)的碳排放問(wèn)題不太可能位于其中。但如果它真在其列的話，那它最終很可能會(huì)位于新生兒性別比例控制和如何防止口袋里的耳機(jī)線打結(jié)之間的某個(gè)地方。

不過(guò)，對(duì)于位于智利帕瑞納爾的拉西亞天文臺(tái)的副臺(tái)長(zhǎng)烏利·魏倫曼（Ueli Weilenmann）來(lái)說(shuō)，他卻并不同意這個(gè)看法。最近，他一邊在控制運(yùn)行天文臺(tái)的成本，一邊在為拉西亞天文臺(tái)的碳排放量感到震驚。進(jìn)一步地深挖發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題并不僅限于拉西亞天文臺(tái)：許多其他天文臺(tái)所排放出的溫室氣體也遠(yuǎn)超其自身的規(guī)模。

這完全是意料之外的。由于自身所處的特殊位置，大多數(shù)的天文臺(tái)都有機(jī)會(huì)使用清潔能源。但出于種種原因卻一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，世界各地的天文臺(tái)都在尋求走向低碳的解決方案。雖然由此減少的碳排放量不足以拯救世界，但天文學(xué)家們決心證明，大科學(xué)也可以是清潔的。

望遠(yuǎn)鏡越大，它就可以深入更為深邃的宇宙，獲得更好的圖像。然而，使用位于智利帕瑞納爾的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）來(lái)探測(cè)遙遠(yuǎn)的旋渦星系或者是太陽(yáng)系外行星上的天氣，卻要付出高昂的成本。天文學(xué)其實(shí)是一項(xiàng)高能耗的活動(dòng)。由于地處非常偏遠(yuǎn)，在帕瑞納爾所做的一切事情都附帶著相應(yīng)的能源成本。即便是水也需要卡車運(yùn)送，更不用說(shuō)食品和燃料了。

這其中，天文觀測(cè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)以及對(duì)靈敏電子設(shè)備的冷卻都要耗費(fèi)大量的能源。每天它們要消耗27兆瓦時(shí)的能量，每年就是近10千兆瓦時(shí)——相當(dāng)于美國(guó)1000戶家庭的年用電量。

不過(guò)，和住家不一樣的是，帕瑞納爾遠(yuǎn)離智利的電網(wǎng)，無(wú)法與之相連，所以它必須自己發(fā)電。為此它會(huì)使用燃燒丁烷的發(fā)電機(jī)。由于燃油價(jià)格的波動(dòng)再加上天文臺(tái)的現(xiàn)金流不暢，魏倫曼正在研究帕瑞納爾的能源使用問(wèn)題，進(jìn)而來(lái)控制成本。他發(fā)現(xiàn)，其碳排放量為每年22,000噸，相當(dāng)于每發(fā)表一篇科學(xué)論文就要釋放46噸的二氧化碳。這和一個(gè)小城鎮(zhèn)的碳排放量相當(dāng)。

在當(dāng)今世界，一個(gè)數(shù)據(jù)中心的能源消耗就可以和一個(gè)中等規(guī)模的城市相媲美，因此面對(duì)這些數(shù)字許多人連眉頭都不會(huì)動(dòng)一下，但對(duì)于魏倫曼來(lái)說(shuō)這事關(guān)原則：這個(gè)問(wèn)題從一開(kāi)始就不應(yīng)該存在。畢竟，在這個(gè)理想的天文臺(tái)址有許多的綠色能源可以利用。德國(guó)魯爾大學(xué)的羅爾夫·希尼（Rolf Chini）說(shuō)：“我們還從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)有一天以上既沒(méi)有太陽(yáng)也沒(méi)有風(fēng)的情況?！毕Ｄ峁芾碇⑺R沙漠中墨菲山頂?shù)囊蛔煳呐_(tái)，與帕瑞納爾很相似，那里年平均晴天數(shù)有320天并伴有大風(fēng)。

這里唯一的障礙是，無(wú)論風(fēng)能還是太陽(yáng)能都不是天文臺(tái)可以直接利用的能源。太陽(yáng)能電池板無(wú)法在晚上為望遠(yuǎn)鏡供電。強(qiáng)風(fēng)也同樣是問(wèn)題——雖有利于發(fā)電，但不利于天文觀測(cè)。在風(fēng)力最大的夜晚，天文臺(tái)的圓頂會(huì)被關(guān)閉。但即使在風(fēng)力較弱的夜晚，風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉攪起的湍流也會(huì)對(duì)天文觀測(cè)產(chǎn)生干擾。

圖1 歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡所在地帕瑞納爾。版權(quán)：ESO。

不過(guò)，希尼的天文臺(tái)已經(jīng)想出了解決的辦法。作為世界上唯一百分百的綠色天文臺(tái)，它的能源均來(lái)自其100塊的太陽(yáng)能電池板和3個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

在得知這個(gè)消息后，魏倫曼立即前往取經(jīng)。然而，他的希望很快就破滅了，綠色天文臺(tái)的成功都?xì)w咎于其規(guī)模較小。它所包含的3棟建筑都只有小型車庫(kù)那么大，直徑5米的風(fēng)力發(fā)電機(jī)也太小而不會(huì)產(chǎn)生湍流。太陽(yáng)能和風(fēng)能用來(lái)生產(chǎn)夜間冷卻其望遠(yuǎn)鏡靈敏電子設(shè)備所需的液氮，多余的能量則會(huì)儲(chǔ)存進(jìn)電池用來(lái)為望遠(yuǎn)鏡在夜間供電。這些電池最大容量為2.3千瓦時(shí)，僅夠同時(shí)為一個(gè)烤面包機(jī)和Xbox提供電力。帕瑞納爾的望遠(yuǎn)鏡需要約500倍于此的電力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何現(xiàn)有電池的存儲(chǔ)能力。建造自己的蓄電池組則至少需要1200塊電池，而這一60萬(wàn)歐元的投資只能維持10年。此舉并不比使用丁烷好到哪兒去。

盡管如此，計(jì)算表明改用可再生能源可以使得帕瑞納爾的碳排放減少約43%，于是魏倫曼決心要找到一個(gè)辦法來(lái)做到這一點(diǎn)。其他天文臺(tái)也制定了自己的解決方案，其中一些已更多地利用了當(dāng)?shù)氐木G色能源。引領(lǐng)這一變革的是一平方千米天線陣（SKA），它將于2024年在南非和澳大利亞建成，由3000面天線組成。目前已經(jīng)啟動(dòng)并在運(yùn)行的是其高靈敏度的原型天線。它需要一直處于被冷卻的狀態(tài)，所產(chǎn)出的大量數(shù)據(jù)則同樣需要經(jīng)冷卻的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)處理。在位于澳大利亞珀斯的SKA超級(jí)計(jì)算機(jī)中心，工程師們使用地?zé)崴脧牡叵?40米的含水層收取22℃的地下水，將它們送入熱交換器來(lái)冷卻他們的系統(tǒng)，然后把升溫11°C的水重新注入到含水層。這樣做的目的并不僅僅是為了節(jié)能。如果改用冷卻塔，其1年蒸發(fā)流失的水分就相當(dāng)于15個(gè)奧林匹克游泳池。

圖2 使用拋物面反射鏡來(lái)匯聚太陽(yáng)光提高太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化效率。版權(quán)：Rehnu。

然而，大多數(shù)地方并不具有地?zé)崮?。世界上最無(wú)處不在的清潔能源是太陽(yáng)能，所以其他的解決方案都是圍繞這一點(diǎn)來(lái)展開(kāi)的。太陽(yáng)能電池板不僅可用于日常的需要，還可以用于望遠(yuǎn)鏡夜間所用液氮的預(yù)先冷卻。即使光伏系統(tǒng)僅可以部分提供帕瑞納爾白天所需的電能，這也能為該天文臺(tái)削減18%的燃料使用量。出于類似的考量，運(yùn)營(yíng)著南非大型望遠(yuǎn)鏡的南非天文臺(tái)也想建一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，但其上級(jí)組織無(wú)法為之提供資金。于是，他們自己搭建了一個(gè)“太陽(yáng)能噴泉”，通過(guò)匯聚太陽(yáng)光來(lái)加熱管道中的水。得益于此和其他的小措施，該天文臺(tái)的能耗已經(jīng)出現(xiàn)了下降，把每月能耗削減了11.9%。

然而，即便天文臺(tái)有資金來(lái)建造太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，仍會(huì)有另一個(gè)問(wèn)題。為了滿足帕瑞納爾白天高峰時(shí)的電力需求——600千瓦，必須要安裝2400塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池板。這個(gè)數(shù)目實(shí)在太巨大了。

有趣的是，部分解決這個(gè)問(wèn)題的辦法可能就在于望遠(yuǎn)鏡的反射鏡本身。反射鏡不僅可以反射星光，也可以用來(lái)匯聚太陽(yáng)光。有一家公司來(lái)研發(fā)這樣一個(gè)裝置：把幾個(gè)大型的方形拋物面反射鏡安裝到一個(gè)輕型的鋼架上，用它們來(lái)把太陽(yáng)光匯聚到一個(gè)小型光伏陣上。其原型樣機(jī)已經(jīng)證明它的效率可以達(dá)到約40%，高出傳統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)1倍。如果確實(shí)如此，那么天文臺(tái)只要建造中等規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，將能顯著地降低自身的碳排放。

在漫長(zhǎng)而又令人沮喪地尋找解決方案之后，魏倫曼的救星似乎出現(xiàn)了——電網(wǎng)。雖然他一直都明白電網(wǎng)是使得帕瑞納爾減排的最大希望，但這一渠道一直被認(rèn)為是不可行的：沒(méi)有辦法把帕瑞納爾與智利遙遠(yuǎn)的民營(yíng)電網(wǎng)相連。但是歐洲特大望遠(yuǎn)鏡的建造提案獲得了批準(zhǔn)，計(jì)劃在10年內(nèi)完工，距離帕瑞納爾約22千米。這座超大型的天文臺(tái)毫無(wú)疑問(wèn)地會(huì)與智利的電網(wǎng)相連。它的供電線路將橫貫阿塔卡馬并從帕瑞納爾穿過(guò)。與之相連最終可以讓帕瑞納爾對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔能源的投資變得現(xiàn)實(shí)，因此它可以出售多余的電力并從中受益。利用清潔能源白天獲得的多余電能可以回饋給電網(wǎng)，到晚上則可以從電網(wǎng)中取用它。

也許這可以讓天文臺(tái)真正做到以太陽(yáng)能作為唯一的能源。

圖3 號(hào)稱可以在夜間收集月亮光能的玻璃球體。版權(quán)：Rawlemon。

超鏈接：月亮能

對(duì)于大多數(shù)天文臺(tái)來(lái)說(shuō)太陽(yáng)能發(fā)電是最佳的選擇：清潔，豐富，廉價(jià)。然而，在實(shí)踐中，使用這一能源卻會(huì)遇到很多的障礙。

24小時(shí)使用太陽(yáng)能資源的一種辦法是收集月亮所反射的太陽(yáng)光。雖然在短時(shí)間內(nèi)這個(gè)想法還不會(huì)有任何市場(chǎng)，但很多公司正在為此努力。一家西班牙公司聲稱，其全天候玻璃球體白天可以收集陽(yáng)光，到晚上則可以收集月光。由它制造的一個(gè)直徑500毫米的球體可以跟蹤月亮，然后將其光子聚焦2000倍到一塊標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能電池板上，產(chǎn)生足夠點(diǎn)亮一盞LED燈的電力。

日本的一家公司則提出了一個(gè)更為奇特的想法，把月亮本身成為一塊太陽(yáng)能電池板。該公司提出的“月環(huán)”概念涉及到在月亮上建一個(gè)“太陽(yáng)能帶”。這一長(zhǎng)11,000千米的反射鏡結(jié)構(gòu)將利用太陽(yáng)光來(lái)發(fā)電，然后通過(guò)激光把能量傳回地球。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）