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这种技术一旦突破,太空电梯,戴森球,轨道环……都不再是梦!

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科学的纠缠态 2021-04-13 10:22
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地球引力束缚了我们的翅膀,却无法束缚我们的思想,千百年来,人类就一直憧憬着登上天梯,到辽远的太空翱翔。或许很多人认为这只是科幻小说里的曼妙幻想,抑或是人类自不量力的异想天开。但是,倘若在未来十几年之中我们能够成功运行太空太阳能发电站(SBSP),或许所有的不可思议都会变成现实!

太空太阳能发电站并不是一个新兴的概念,早在上世纪70年代,美国宇航局(NASA)就斥资5000万美元进行了专门研究。然而,由于系统太过复杂,超过了当时的技术和能力,这项研究在完成了大量可行性研究后,最终还是束之高阁。

随着技术的不断进步,目前已有私人公司和机构旧梦重温,开始进行太空太阳能发电项目的研究。太空太阳能电站原理其实非常简单,那就是在宇宙空间中搭建太阳能电站,捕捉大量阳光,转换成电能送回地球,或直接在太空中使用。

太空太阳能发电主要有光伏太阳能电池板和太阳热能两个概念。太阳热能是用镜子聚焦阳光加热液体,通过涡轮机产生电力;而光伏太阳能电池板则是直接将阳光转化成电能,其效率是地球上的8倍。虽然利用太阳热能具有潜在的重量优势,可减少火箭发射次数,降低每千瓦功率的总质量,然而目前更多的概念是希望利用高效率的光伏元器件。

光伏电池的最佳放置点是地球静止轨道,可简化天线的几何形状及对齐方式,以近乎恒定的功率用激光或微波向地球传输电能。当然也有一些问题,比如这一区域远离地球磁场,而电力设备和通讯设施又最容易因宇宙射线和太阳耀斑的轰击而崩溃;由于重量和成本较低,用激光向地球传输能量是最好的选择,但稍不注意激光就可能变成死光,成为星球大战里面的终极武器——死星;所以科学家们想到了利用微波来向地球“暗送秋波”,当然微波也不是绝对安全——曾经有微波试验将整个树林的鸟都烤熟的事件,不过通过安全协议,人们可以在传输失败的情况下禁用传输,从而不用担心电力传送将我们烤成腊肉了。

看起来环境OK,技术OK,一切都OK了,太空太阳能电站已整装待发了吗?

嗯,千算万算,咱还没算到要用多少钱呢。

目前,最便宜的火箭是马斯克SpaceX公司的猎鹰9号,发射一次6200万美元,地球同步转移轨道(GTO)的运载能力大约是4850公斤,地球静止轨道(GEO)运载能力的数据没查到,但一般来说差不多是GTO的一半,我们算2400公斤,那么将1公斤光伏太阳能电池板运到地球静止轨道的费用大约是25800美元;根据测算,建造一个低端的4兆瓦太空太阳能发电站需要4000吨材料,而常规的太空太阳能发电站则需要80000吨。我们可以计算一下这笔费用:

低端电站发射价格:

4000吨(400万公斤)x25800美元=1032亿美元

常规电站发射价格:

80000吨(8000万公斤)x25800美元=20640亿美元

举17个国家之力建造的国际空间站,火箭发射的费用也不过504亿美元;NASA的可行性研究也发现,如果发射成本控制在每公斤100美元到200美元之间,太阳太阳能电站还是挺划算的。由此看来,在太空建太阳能电站真的是又费马达又费电了?

最大的变数还是马斯克!因为他的最终目标是将火箭重复使用100到1000次,发射周期缩短到1天,发射成本降低到20万美元一次——只需要燃料钱。由此算来,每公斤成本仅需200000/2400=83美元。

83美元!你是不是觉得太空太阳能电站已经在向我们招手了?

是的,世界各国已经开始研究太空太阳能电站了。早在2012年,NASA的约翰·曼金斯(JohnC.Mankins)团队已构想出随机性大型相位阵列太阳能人造卫星(SPS-ALPHA),使用类似喇叭形的收集装置捕捉太阳能,再传输到地球;中国首个太空太阳能发电实验基地2018年12月也在重庆璧山启动。

目前看来,太空太阳能电站的建造与实施或许还出路不明,但是值得肯定的是,能源领域对政治环境的影响是太空太阳能电站崛起的关键,因为太空太阳能发电不仅是新型可靠的再生能源,更可能以全新的方式改变世界。

太阳能的发展不可避免会延伸至太空,或许在不久的将来,太空太阳能电站的环境、技术、造价都不会再是问题,随着能源的突破,那些可能打破已有认知的天马行空的构想也不再只是科幻和梦想:

太空电梯——能源问题解决了,或许太空电梯的研发也可以步入正轨了;

轨道环——特斯拉的构想,总投资31万亿美元,在地球上空35公里处建造一个环形轨道,可用0.05美元/公斤的成本,让人类和货物来往于太空;

戴森球——太空太阳能电站连成片,于是成了地球的戴森球;

俄罗斯套娃脑——戴森球的升级版,利用所有恒星的能量输出将地球变成大型计算机;

环形世界——看过拉里·尼文这部小说的人都知道,一个绕恒星运转的巨大环形世界。

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