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天基太阳能,而非可控核聚变,将彻底解决人类能源问题?

2022-11-06 09:10:08 995

摘要:太阳能电池板。 (新华社记者 谢晗/图)2022年4月7日,Elon Musk在社交媒体说:相比从太阳到达地球的巨大能量,人类所利用的太阳能微乎其微!每平方公里太阳能功率约为1GW。以目前的太阳能发电装置能效比来看,每平方公里可产出约为20...

太阳能电池板。 (新华社记者 谢晗/图)

2022年4月7日,Elon Musk在社交媒体说:相比从太阳到达地球的巨大能量,人类所利用的太阳能微乎其微!每平方公里太阳能功率约为1GW。以目前的太阳能发电装置能效比来看,每平方公里可产出约为200MW的发电功率。换句话说,得州一个小角落(铺满太阳能板)就能满足整个美国的用电需求。

Musk这段话是在推广其Solar City(太阳城)公司,并未明确说要上马“天基太阳能”项目。但结合其近期一些零散言论,以及近些年的产业布局,他很可能会涉猎这片新奇的区域。

2021年,Musk曾说;他并不认为“可控核聚变”有那么重要,因为太阳就是最大最完美的核聚变反应堆,为何不充分利用其能量,而要另起炉灶?

当年底,在参加国际宇航大会时,有“环保主义者”质问:你每年发射那么多火箭、排放那么多温室气体,究竟为什么?就因你个人想去火星么?Musk回复:太阳能才是清洁能源,而天基太阳能的能量密度更大,目前的发展过程将有利于未来长久环保……一席话戳中“环保主义者”的心。

地球能源均来自太空,其中主要源自太阳:地球接受的太阳能量总功率约为1.7×10^14KW,其中47%穿过大气层到达地表,其余被大气层反射、散射所衰减,而这些能量只占太阳总辐射能量20亿分之一,真可谓沧海一粟。但利用率极低的另一面,就是潜力巨大。

但现有的太阳能地面发电站并不理想,首先,其占地面积太大,人类还需要土地进行耕种、生活。而且在地球上,每天半数时间是黑夜,工作时只有一半。

云层和空气污染,对阳光的遮挡、衰减,是影响太阳能发电效率的主要因素:底层大气中的颗粒污染物形成气溶胶,会阻挡阳光透射,并沉积在太阳能面板上,在污染较严重地区,甚至会导致太阳能发电效率下降 50%以上。

天基太阳能,不占用地面,节省了珍稀的地球资源;没有大气反射、散射效应,太阳辐射接受率达100%;在太阳同步轨道上无昼夜交替,每天24小时持续工作;没有阴晴冬夏变化,每年365天工况恒定;也没有因沙尘积累、材料氧化等而导致发电效率逐渐降低问题。以目前科技水准,单位面积太阳能板的发电效能比地面站提升5倍。

考虑到未来几十年科技进步:基于石墨烯、纳米材料等发展的“太阳能膜”的质量将减轻到目前“太阳能板”的零头;太阳能发电介质的能效提高20%-30%;如果向金星轨道方向推进天基太阳能基站,使其更靠近恒星,所获得的“太阳常数”将更高,其单位面积发电效能提升10倍,是远景,不是梦。

或许,“天基太阳能”是取代目前地球上大多数化石能源消耗、较少污染和温室气体排放、大幅度满足环境诉求的手段。

能源匮乏的日本,很关注“天基太阳能”。2009年9月,三菱电气和IHI合作开始了价值2万亿日元(210亿美元)的项目,计划在30年内在太空建造大型太阳能发电场,并将能量传回地球。

2014年,日本“清水建设”公布了“月环”计划:环绕月球赤道的太阳能板,长度近1.1万公里,产生约1.3万TW(太瓦,10^12W)能量,而目前全球每年耗电量约为15TW,不得不说:日人的野望够猛。

2015年3月,日本三菱公司在能量无线传输方面取得突破:科学家成功利用微波将1.8kw电能,隔空传输到约55米距离。虽然距实用还非常遥远,但终于迈出了第一步,奠定了从太空将能量传输到地球的科技基础。

但日本的“天基太阳能”研发进展,不会太顺利。因为太空发射成本非常昂贵,如果没有低成本发射科技,一切太空开发,都只能停留在科幻层面。日本贸易部和日本宇航探索局承认:“天基太阳能”费用异常昂贵,火箭单次发射费用就达1.05亿美元左右。而目前日本航天的短板在于:尚未掌握可复用火箭科技。

美国NASA和能源部门,在过去30年间,花费了8000多万美元,间断性研究了“天基太阳能”,但实际进展不大。原因在于:一来NASA自己也未掌握低成本发射科技,二来美国是能源输出国,对“天基太阳能”需求并不紧迫、强烈。

而中国是人口多、能源少的大国,对太阳能当然更感兴趣。2016年,我国已开始进行“天基太阳能”研究,并制定了“四步走”战略,设想在2036-2050年间,建造自己的实验性天基太阳能发电站,运行寿命约30年。

Musk拥有极大优势:他拥有航天企业、太阳能企业,拥有统一决策与管理,在自己系统内资源整合的优势。而竞争方则需跨产业、跨部门、行政性协调。因此,Musk的企业总能以更快速度、更低成本,进行市场响应。

其竞争方都尚未掌握可复用火箭科技,SpaceX在这块市场已“吃独食”近6年。根据其竞争方的研发进度,这种“吃独食”状态还要再持续3-4年。即便几年后竞争产品出现,SpaceX的第二代新型可复用火箭,亦将拥有领先一代的科技与成本优势。

Musk拥有所需优势,距“天基太阳能”最近,他会放弃这个还没有实际竞争对手的未来领域么?放弃再次领先“吃独食”的机会么?或许,他只是在这一领域保持低调、没有正式并开自己的计划罢了,而在媒体和自媒体上的只言片语显示出,其在“天基太阳能”方面并非完全没有想法。

对于整个人类而言,站在“星际时代”门槛上,星际远航、暗物质暗能量、时空翘曲等等,都太过于科幻、过于遥远,“天基太阳能”才是最现实的近未来太空开发项目之一。

能源是最现实的财富追求。如果,在未来几十年,这项浩大工程将开始动工,并延续数百年,将成为人类未来最伟大的工程之一,同时也能为航天、太阳能、AI、电力、制造业、基础建设等相关产业,提供数以千万计的新就业机会,这些新兴就业岗位将传承几代人,甚至更长远。

美逸君

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