從太空獲取太陽能

李忠東

400年前，人類便開始探索研究如何充分利用太陽能，太陽能這一取之不歇的清潔能源為人類社會的發(fā)展提供了無限可能。目前，利用太陽能的最主要的方式是光電轉換。光電轉換就是在地面或其他開闊地鋪設太陽能電池板，并通過控制器將太陽能直接轉化成可利用的交流電或直流電，也可以先把電放入蓄電池儲存起來再利用。但是由于受大氣層的影響，地面上太陽光能量密度比較低，目前應用的太陽能板的效率只有1/10～1/5，而且光電轉換效率也比較低，因此在地面上能夠利用到的太陽能十分有限。盡管光電轉化效率已經從最初的10%提升到了現在的40%左右，但地面太陽能發(fā)電的實際效果還是不盡人意。

為了獲得更多的太陽能，科學家們很早就將視野轉向了太空，如果能從太空直接收集太陽能，那么可用量將是地球上的數十億倍。早在20世紀60年代，人類就從科學角度論證了“基于太空的太陽能”的可行性。從理論上說，在地球同步軌道上，99%的時間可以接受太陽能輻射，每平方米太陽能可以產生1336瓦熱量，而且從太空軌道往地面發(fā)射微波的概念也證實是可行的。1968年，美國科學家彼得·格拉就首先提出了建造空間太陽能電站的構想。

2014年，英國斯特拉斯克萊德大學的馬斯米利亞諾·瓦斯勒博士在太空測試過一種裝置，這種裝置可用于收集能量并將能量以微波或者鐳射束的形式傳回地球。他說：“太空是收集太陽能的理想之地，擁有巨大優(yōu)勢。在太空中，可以在一天中的任何時刻收集太陽能，同時不會受到天氣條件的制約?！?/p>

“三明治”與“梯級”的誕生

在美國日前公布的“從太空獲得能量束”的宏偉計劃中，美國海軍工程師認為，比國際太空站大9倍的巨型太空太陽能模塊可以從太空源源不斷地聚焦太陽能并且發(fā)送至地面，為軍事設施或者大小城市提供能量。美國海軍研究實驗室的著名航天器工程師保羅·杰斐博士領導的團隊現在已設計建造出兩種用于捕捉并傳輸太陽能的模塊類型，并且在模擬太空環(huán)境的真空狀態(tài)內進行了測試。

第一種模塊類型采用“三明治”結構，所有的電子零件由兩塊方形的太陽能板夾住。當頂側的太陽能發(fā)電面板吸收陽光后，中間的零件便會將能源轉化成無線電波頻，透過底板天線向地面目標傳輸能量。這種太陽能模塊將由機器人在太空中進行裝配，最終成為一顆直徑達1千米的人造衛(wèi)星。它功率強大，將太空收集的太陽能轉化成無線電波頻，傳送回地球作為電力供應。

第二種模塊類型為“梯級”模塊，頂層的太陽能發(fā)電面板和底板攤開之后呈現出“之”字形。這將使太陽能電池板在無需加熱的前提下，更有效地接收更多陽光的照射。機器人會在太空將多塊方形板砌成巨型衛(wèi)星，為地球供電。

“發(fā)射物體至太空的成本是非常高昂的，因此找到一種使組件變得更輕的方法是實現‘從太空獲得能量束計劃的基本條件。與第一種‘三明治模塊的設計相比，‘梯級模塊的效果要高4倍。”杰斐指出，“我們正在嘗試使用‘梯級模塊解決熱量問題，‘之字形可以使太陽能發(fā)電面板吸收更多的陽光但不會過熱，現在已為‘梯級模塊設計申請專利?！?/p>

“折紙”太陽能面板陣列

美國航空航天局（NASA）的一個研究團隊最近開發(fā)的一種新款太陽能電池面板造型相當新穎。該團隊由加利福尼亞州帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室機械工程師布萊恩·特雷斯和位于猶他州普羅沃的美國楊百翰大學研究團隊以及折紙專家羅伯特·朗等人組成。他們對如何通過運用日本折紙術原理有效地建造航天器部件進行了卓有成效的探索，共同開發(fā)的折紙?zhí)柲苊姘尻嚵性脱b置集技術與造型藝術于一體，十分引人注目。

設計概念中應用這種結構的裝置能夠折疊成直徑8.9英尺（約2.71米）的原型，展開后能夠擴展成82英尺（約25米）的陣列。為了驗證這種設計概念，研究團隊通過組合不同類型的折紙褶皺開發(fā)出桌面大小的原型，可以擴展到4英尺（約1.22米），比較理想地演示了概念中的設備折疊與擴展方式。折紙?zhí)柲苊姘尻嚵械脑O計是藝術、文化與技術的一種獨特結合，能夠部署至各種航天器中，并應用至低成本的衛(wèi)星中。特雷斯說：“目前該設備仍在原型階段，團隊開發(fā)的方向或許預示了未來航天科技設備的發(fā)展方向，即優(yōu)美造型與實用性互相結合?！?/p>

特雷斯研發(fā)團隊現在面臨的一個重大難點是太陽能電池板不像紙張那樣薄，為了適應每次折疊所累加的厚度，必須在設計方面重新思考很多事情。折紙?zhí)柲苊姘尻嚵鞋F在只是一個模型，而且由于太陽能電池板通常是由較厚的材料制成的，最終的解決方案可能需要一些調整。雖然目前該項目仍然在雛形階段，但是研發(fā)人員正在將這種由藝術所帶來的靈感變?yōu)楝F實。在此基礎上，由一個繞軌道運行的發(fā)電廠利用微波向地球發(fā)射電能的夢想很有可能實現。另外，它也可以用在小型衛(wèi)星上。

在此之前，NASA已經將執(zhí)行太空任務的太陽能電池面板裝置設計成簡單的手風琴結構，以便在把它們運往太空時更加容易一些。但是特雷斯研發(fā)團隊現在設計的折紙?zhí)柲苊姘尻嚵性透鼜碗s更緊湊，能夠在更小的空間內提供更大的表面面積，以捕捉盡可能多的太陽光線。與此同時，它可以收折成便攜的小件，發(fā)射的時候纏繞在衛(wèi)星上。折紙?zhí)柲苊姘尻嚵斜阌谠谔照归_部署，它的展開不需要宇航員的協助。

事實上，折紙?zhí)柲苊姘尻嚵械膽貌⒉恍迈r。受日本折紙術啟發(fā)而制成的太陽能折疊板排所使用的技術之一被稱為三浦折疊法，它的發(fā)明人是一位名字叫高麗三浦的日本天文物理學家，他有意將這種折疊法用于太陽折疊板。早在1995年，日本衛(wèi)星“太空飛行器”的太陽能電池板就使用了高麗三浦開發(fā)的折紙褶皺。盡管如此，迄今這項技術仍處在初期研發(fā)的階段，基本上是一個未被發(fā)掘的前沿領域，現在NASA的研發(fā)團隊正在對它重新審視并完善其概念。

研究人員表示，折紙術的折疊原理將來有一天可能被用于太空太陽能的開發(fā)。因為折紙?zhí)柲苊姘尻嚵锌梢员煌耆郫B，一次火箭發(fā)射便能夠完成運送任務，而且不需要宇航員組裝，所以到那時向太空運送太陽電池面板裝置的難度將大大降低。