你經(jīng)歷過(guò)電量還剩1%的時(shí)候嗎？如果手機(jī)電量還剩1%你會(huì)做什么？找充電寶、充電線？如果都沒(méi)有怎么辦？你是否期待一種無(wú)線充電技術(shù)覆蓋你生活的所有空間，再也不用擔(dān)心手機(jī)沒(méi)電的問(wèn)題。

其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，即將應(yīng)用于航天領(lǐng)域。因?yàn)橹袊?guó)將要在太空站建立一個(gè)比肩太空戰(zhàn)艦的千噸級(jí)太空太陽(yáng)能電站，利用“無(wú)線充電技術(shù)”，解決全人類的“電力焦慮”。今天就來(lái)給大家講講這個(gè)有望改變?nèi)祟惸茉吹男录夹g(shù)——空間發(fā)電站。

中國(guó)首個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地開始建設(shè)

我們都知道，地球上的能量來(lái)源大多是太陽(yáng)。太陽(yáng)造成地球表面的溫度差異，從而衍生了風(fēng)和水流等自然現(xiàn)象，太陽(yáng)輻射也維持著生物圈的能量供給。所以人類開發(fā)了直接利用太陽(yáng)能的技術(shù)，減少了中間轉(zhuǎn)換的能量耗散，提高了能量利用效率。

尤其是在全球變暖的大背景和國(guó)內(nèi)雙碳政策下，我們已經(jīng)逐步減少對(duì)化石能源的使用，因此我們需要開發(fā)新能源替代煤炭、石油，以滿足人類社會(huì)的發(fā)展需要。減緩人類對(duì)化石能源的依賴，但新能源的開發(fā)實(shí)際效果卻不理想，這是為什么？

第一點(diǎn)是自然發(fā)電的穩(wěn)定性不足，風(fēng)能依賴多風(fēng)的天氣，水能依賴豐水季節(jié)，太陽(yáng)能只能在白天，一天平均10個(gè)小時(shí)的發(fā)電時(shí)間，不能達(dá)到24小時(shí)穩(wěn)定的供電。

第二點(diǎn)是能源量級(jí)不高。水能、風(fēng)能經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能的層層轉(zhuǎn)換，耗散嚴(yán)重；太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)，經(jīng)過(guò)大氣層的“過(guò)濾”，大部分的能量都被臭氧層吸收，利用率不高。

所以在1968年，美國(guó)科學(xué)家提出了構(gòu)想，可以在環(huán)地球軌道上布置太陽(yáng)能電池陣，收集太陽(yáng)射線的能量。這些電池矩陣會(huì)和向日葵一樣，隨著太陽(yáng)的相對(duì)位置的變化，來(lái)調(diào)整角度，最大程度地接收太陽(yáng)輻射。

太空電站建設(shè)有哪些技術(shù)難點(diǎn)

你敢相信嗎？中國(guó)正在太空上建設(shè)發(fā)電站，就是在赤道上空35786公里的地球靜止軌道上，建設(shè)一個(gè)太陽(yáng)能電池矩陣。這個(gè)電站的軌道的環(huán)繞周期和地球自轉(zhuǎn)周期相同，環(huán)繞路線的中軸線和地球自轉(zhuǎn)的中軸線也一樣。一樣的周期，一樣的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，一樣的旋轉(zhuǎn)中軸。

這樣的設(shè)計(jì)是為了方便后續(xù)的能量傳送，由于發(fā)電裝置位于高空，一切有形的輸電裝置都不適用，只能使用無(wú)線輸電方案。而發(fā)電站相對(duì)地球靜止，為能量的無(wú)線傳送創(chuàng)造了有利條件。

目前太陽(yáng)能發(fā)電站的理想位置有兩個(gè)，分別位于西經(jīng)123°和東經(jīng)57°附近，每年有277天是全日照，在春分和秋分只有75分鐘的時(shí)間無(wú)法接收太陽(yáng)輻射，但總的發(fā)電時(shí)間可達(dá)99%，發(fā)電穩(wěn)定性方面不收天氣、氣候的影響。

同時(shí)，與地面上同規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備相比，空間發(fā)電站接收的能量是地面的6-15倍。太空中的發(fā)電裝置可以布置得更為集中、密集，再加上發(fā)電穩(wěn)定的特點(diǎn)，空間發(fā)電站是理想的新能源研究方向。

在這個(gè)領(lǐng)域，我國(guó)的研究自然不會(huì)落后。2021年6月18日，經(jīng)過(guò)十多年的籌備，國(guó)內(nèi)第一個(gè)空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地在重慶璧山開工建設(shè)。工程總投資26億元，首期投資1億元，將建成有實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)功能的核心實(shí)驗(yàn)區(qū)33畝，有科普教育、空間育種、太空旅游功能的外圍隔離區(qū)167畝。

璧山空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地的研究重點(diǎn)在太陽(yáng)能空間發(fā)電站、無(wú)線微波傳能、空間信息網(wǎng)等技術(shù)的模擬驗(yàn)證。

空間發(fā)電站應(yīng)用前景巨大，但目前整個(gè)系統(tǒng)還在設(shè)計(jì)當(dāng)中，尤其是能量傳送走什么樣的技術(shù)路線？空間發(fā)電站的安裝、使用、維護(hù)問(wèn)題如何解決？這些都是問(wèn)題。

爭(zhēng)論最多的當(dāng)屬能量傳輸?shù)募夹g(shù)路線問(wèn)題。主流能量傳輸方案有兩種，美國(guó)主要研發(fā)通過(guò)微波傳輸能量，而俄羅斯則使用激光傳輸方案。

兩種技術(shù)方案各有所長(zhǎng)。微波的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，能量轉(zhuǎn)化和傳輸效率較高，特定波段能夠很好地穿過(guò)云層，且能量密度低，安全性好。但微波的波束寬，需要超大的發(fā)射和接收天線，地面上的接收裝置也非常大。

激光的方向性好，能量密度非常大，這也決定了激光的波束窄，其發(fā)射和接收裝置都較小。但難點(diǎn)在大功率的激光技術(shù)不成熟，從四萬(wàn)公里的高空將激光高精度地指向地面的接收裝置難度較高。激光能量很高，一旦出現(xiàn)指向偏差會(huì)造成很大的安全隱患。同時(shí)激光的大氣透過(guò)性差，需要在晴朗的天氣才能實(shí)現(xiàn)高效能量傳輸，其傳輸穩(wěn)定性受到天氣的影響。綜合來(lái)看微波的技術(shù)更加便捷。

選擇好了輸電裝置，發(fā)電站的發(fā)射和安裝也是個(gè)不小的工作，要將大量的設(shè)備元件運(yùn)到太空本身就是一件巨大的工程。設(shè)備元件的安裝要在地球靜止軌道上進(jìn)行，說(shuō)是靜止軌道，其衛(wèi)星以每秒3075米的速度處在高速環(huán)繞飛行當(dāng)中。在這個(gè)軌道實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝，類似于空間交會(huì)對(duì)接，需要飛船和設(shè)備在低軌道高速運(yùn)行，然后減速提升軌道；或者在較高軌道低速運(yùn)行，飛船加速，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

這因?yàn)樾l(wèi)星是以恒定速度在同一軌道環(huán)繞飛行的（mg=mv^2/r）。軌道越高，速度越低。發(fā)電站的設(shè)備元件從發(fā)射開始就要經(jīng)過(guò)精密的計(jì)算，特定的時(shí)間以特定的速度進(jìn)入特定的軌道，分毫不差，才能實(shí)現(xiàn)像神舟十二號(hào)那樣的交會(huì)對(duì)接。裝好整個(gè)空間發(fā)電站，需要重復(fù)成百上千次。所以這也是微波方案的難點(diǎn)，要么加強(qiáng)微波波束的方向性，縮小發(fā)射接收裝置的規(guī)模，要么能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、大面積設(shè)備元件的安裝。

除此之外其他問(wèn)題也是亟待解決。比如空間發(fā)電站的系統(tǒng)面積和系統(tǒng)質(zhì)量不能太大的同時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率要非常高，這就需要研發(fā)高強(qiáng)度的基礎(chǔ)材料。大量的設(shè)備安裝需要可重復(fù)使用的軌道轉(zhuǎn)移器。微波傳輸會(huì)有大量的微波逸散到自然界，對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成的影響未知。就像人們害怕核電站和轉(zhuǎn)基因食品一樣，對(duì)潛在危險(xiǎn)的害怕排斥，刻在我們的基因中，使用這套新技術(shù)的宣傳工作可能也是一個(gè)難題。

千噸級(jí)太空電站建成將會(huì)改變什么？

空間太陽(yáng)能電站作為跨時(shí)代的技術(shù)，面對(duì)的技術(shù)難題前所未有，距離真正的大范圍投入使用還有很遠(yuǎn)，可能需要一代人的智慧和努力才能實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)空間電站的能源進(jìn)入千萬(wàn)家的時(shí)候，我們的技術(shù)也會(huì)實(shí)現(xiàn)巨大飛躍，生活的面貌也會(huì)大不一樣。

首先是能源方面，空間電站替代了化石能源，減緩了地球氣溫上升，我們可以將更多的精力放在如何固定、收集溫室氣體，徹底解決全球變暖問(wèn)題。

第二是能夠開發(fā)利用更多的能量。人類社會(huì)的發(fā)展程度可以從可利用能量的角度去衡量，人類學(xué)會(huì)使用火，便能夠利用化學(xué)能源，制造陶器和生產(chǎn)熟食；學(xué)會(huì)了種植，便不受自然的限制，通過(guò)植物更多地獲取太陽(yáng)能，供人類使用，來(lái)讓種群繁衍壯大；工業(yè)社會(huì)以來(lái)，人類學(xué)會(huì)了使用煤炭、石油等化石能源，也促使人類對(duì)能源的使用越來(lái)越細(xì)，效率更高。也讓人類社會(huì)可以生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品，極大地豐富了我們的生活，推動(dòng)社會(huì)的不斷向前發(fā)展。

而太空電站大范圍投入使用，意味著我們對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)利用達(dá)到了新的高度。我們掌握了更多的能量，全新的技術(shù)將被激活，推動(dòng)人類科技的發(fā)展。讓我們能眺望更遠(yuǎn)的地方。

第三是對(duì)微波技術(shù)有更好的應(yīng)用和理解。突破了微波能量傳輸方案，未來(lái)的能源使用場(chǎng)景會(huì)大變樣?；蛟S不再使用電線，在用電設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)施兩端分別架設(shè)微波發(fā)射和接收設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)兩地的能量傳輸，高壓輸電線將會(huì)被淘汰。

與此同時(shí)也許我們不用攜帶各式的充電器，因?yàn)槲⒉òl(fā)射系統(tǒng)，能夠全覆蓋地給我們的手機(jī)、電動(dòng)車自動(dòng)充電。

微波傳輸如果取代了有線傳輸，我們就不需要建設(shè)龐大的電氣設(shè)施，節(jié)約了巨大的空間，未來(lái)的生活場(chǎng)景也會(huì)更簡(jiǎn)潔、高效。

第四是更好地利用和探索地外空間，向太空邁出了一大步。在軌大型設(shè)施的建設(shè)，讓航空航天技術(shù)得到飛躍。屆時(shí)，很多大型設(shè)施都會(huì)出現(xiàn)到太空。比如位于貴州的天眼——500米級(jí)別的球面射電望遠(yuǎn)鏡，有可能建在太空。

屆時(shí)空間站的規(guī)模也會(huì)擴(kuò)大，隨著航天技術(shù)的成熟宇宙觀光旅游不是夢(mèng)，太空移民也不是夢(mèng)。總之，更多的地外空間被利用，逐漸實(shí)現(xiàn)大規(guī)模人群在太空和地球間轉(zhuǎn)移的常態(tài)化，也更好的觀測(cè)、探索地外空間。

山上的風(fēng)景，在山腳下也可以想象，但只有真正爬上了山，才能領(lǐng)略到美妙的風(fēng)景，驗(yàn)證我們的想象。每一段的攀登，都會(huì)站得更高，看到更遠(yuǎn)、更美的風(fēng)景。重要的是腳下的路，可能會(huì)走彎路，可能會(huì)陷入疲憊，只要一步一步，就能越爬越高。

科學(xué)和社會(huì)的發(fā)展就是一座無(wú)止境的山峰，以我們掌握的知識(shí)量，還只是站在山腳走了一兩步。一代一代攀登，一步一個(gè)腳印，總能站的更高，看的更遠(yuǎn)，見(jiàn)識(shí)更美的風(fēng)景。