未解之谜网

当前位置: 未解之谜网 > 技术创新 > 太空种电？不受天气影响的发电厂登场，人类将迎来能源自由？

太空种电？不受天气影响的发电厂登场，人类将迎来能源自由？

要核能、绿能、还是天然气?大家不用吵了，因为让我隆重介绍，宇宙太阳能准备登场，地球将进入能源自由，人类文明将迈入下一个时代!

虽然只是迈入第一步，但我没有在开玩笑，美国、日本、欧盟、英国都陆续展开宇宙太阳能计划，预计在太空中布下大量太阳能板，将取之不尽的能量，不分昼夜、不分天气地将能量源源不绝的传回地球。而且第一阶段的测试，已经在宇宙中测试成功了!

宇宙太阳能真的可行吗?我们离能源自由，还有多远?

要选择哪种能源配比，各方论点各有道理。而同样的问题，对世界各国来说都是争论不休的议题。面对这样的困境，竟然有人提议往太空探索，去太空中进行大规模太阳能发电，并将能量传回地球，成为宇宙太阳能电厂，一举解决所有能源问题。可是就算不去太空，在地面上的太阳能近年来成长迅速，安装量和产量都持续增加，为什么非得跑到太空中去做一样的事呢?

虽然太阳能板的设置成本近年来降低很多，能不能稳定发电却要看老天脸色，而且需要的占地面积广大。世界上只有少数幅员广大，日照充足的国家可以打造 GW 等级的太阳能发电厂，像是印度，中国，以及中东地区。

不过只要把太阳能搬到外太空，就可以大喊：“解开束缚、重生吧!太阳能，我还你原型!”

首先，太空中可以接收到更多的阳光。由于太空中没有夜晚，所以轨道上的卫星几乎可以 24 小时暴露在阳光之下。此外，太空中的阳光不会像地面上的冬天或傍晚，有倾斜入射的问题。太阳能板可以随时指向太阳的方向，和太阳光的方向保持垂直，接受百分之百的阳光照射。根据计算，同一块太阳能板放在太空中可以接受到的阳光量至少是地表的三倍以上。

地球上阳光倾斜入射的问题示意图。图/PanSci YouTube

另外，地球的大气其实帮我们阻隔了许多阳光，保护地表上的我们不会被瞬间晒伤。就算是晴朗无云的日子，大气层还是会散射掉许多的阳光。太空中的太阳辐射比地表强上不少，大约多了 40% 左右。

综合前面所说的，只要把现有的光电材料放到卫星轨道上，就可以轻松获得约四倍的发电量。此外还不需要任何占地，不会对环境生态带来负面影响。

太空种出的电要怎么运回地球?

你可能会好奇，在太空中收获这么多太阳能，要怎么运回地球给大家使用呢?难道要存在电池里再回收吗?科幻大师艾西莫夫早在 1941 年就想过这个问题了。在他的短篇小说《理性》中，各个太空站会再收集太阳能之后，用微波光束将能量传送至不同行星，也就是远距无线传输能量。

虽然这种技术在当时属于科幻情节，但现在的我们知道这样的技术在原理上可能办到的。在我们介绍无线猎能手环那集，我们有提到电磁波传递能量的问题，就是能量会以波源为中心向外发散，并且能量随着距离快速衰减。想要高效率传输能量，如果不想接条线，就必须使用指向性的波源，将能源都集中到一点。

现在，我们使用多个天线组成阵列，并调整他们的相位，让各个天线发出的微波产生干涉，形成笔直前进的单方向微波束，将能量精准发射到远处的一个点。除此之外，因为选择的电磁波频段是微波，就像手机讯号可以穿过墙壁到你的手机一样，特定频率的微波也能穿透大气层或云层的阻挡。即使地球上的我们是下雨天，宇宙太阳能仍能透过微波将能量传至地表，大幅降低天气造成的影响。

所以，只要把所有太阳能板发射到地球同步轨道上，让它们在轨道中展开，组装成大还要更大，边长长达数公里的超大太阳能板。这样空中太阳能发电厂就会一直维持在天空中的某一点，地面的我们，只要盖个微波接收站就可以了。当然要将所有设备发射到地球同步轨道上所费不赀，较可行的做法是先用火箭将卫星射入高度较低的低地球轨道中，再利用卫星本身的离子喷射等方式把自己慢慢推到地球同步轨道。

太空太阳能发电厂概念图。图/Space.com

这个主意，在 1968 年工程师 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出，还向美国政府申请了专利。当时，美国能源局和 NASA 也觉得这个概念挺“有趣”的，针对宇宙太阳能做了一系列的调查并提出了正式的可行性报告。不过当时各方面的技术未成熟，无法进行测试。最重要的是，要把一整个太阳能发电厂射到太空，实在要花太多钱，产出的电根本就不敷成本。

好消息是，太空运输成本近年来已经降低很多。SpaceX 的猎鹰九号火箭将每公斤物质运到低地球轨道的成本，只需要约三千美元，是过去使用太空梭运载的二十分之一。这让宇宙太阳能的可能性，从仅只于科幻，摇身一变成为潜力无穷的未来能源。

宇宙太阳能离我们有多远?

从美国、英国、欧盟到日本，都已经放话要加入这场全新的太空能源竞赛。领跑者之一是日本的太空机构，宇宙航空研究开发机构 JAXA，预计在 2025 年前后展开从太空向地面送电的实验，并在 2030 年左右开始试运转宇宙太阳能机组，是有生之年就能看到的成果!

从宇宙航空研究开发机构 JAXA，预计在 2025 年前后展开从太空向地面送电的实验，并在 2030 年左右开始试运转宇宙太阳能机组。图/PanSci YouTube

这个时程也不是信口开河，日本在 1980 年代左右便开启了宇宙太阳能计划。经过数十年的规划与研发， JAXA 已在 2015 年进行地面测试，成功将电能传输到 55 米外的接收天线，验证远距传输能量的可行性。这个实验相当重要，因为在发射成本的问题解决之后，宇宙太阳能要面对的下一个难题，就是如何有效地从外太空轨道远距送电。虽然我们已经知道可以透过干涉的方法，让微波束直线前进，但实际运作时，还是会有一个很小的发散角，不会完全平行。

JAXA 已在 2015 年进行地面测试，成功将电能传输到 55 米外的接收天线，验证远距传输能量的可行性。图/PanSci YouTube

失之毫厘。差之千里。地球同步轨道离地表可是有三万六千公里，小小的发散角到地面就会严重发散，地面的接收天线尺寸也不可能无限扩张。这任务的难度差不多等于要从操场的一端用雷射笔打到另一端的蚊子，非常困难。JAXA 的天线虽然目前还未达到需要的准度，但是发散角已经能控制在 0.15 度左右，足以从较低的低地球轨道传输能量回地球，做初步的测试。

从还处在规划阶段的日本，瞬间移动到地球的另一端，美国的研究团队，在这个月已经宣布取得重大突破。加州理工学院的宇宙太阳能计划在今年初，成功让一个小型测试模组，乘着 SpaceX 的猎鹰 9 号前进低地球轨道，进行太空中的实际测试。这个小型模组包含三个小实验。第一个实验是测试宇宙太阳能板的结构、封装、以及展开并组装的程序。第二个实验则是要在 32 种不同的光电材料中，找出哪种在太空中效果最好。第三则是要测试微波传输能量在太空中的可行性。

测试宇宙太阳能板的结构、封装、以及展开并组装的程序。图/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 号，团队宣布他们设计的可弯曲天线阵列，在太空中成功传送能量到三十厘米外的接收天线，点亮了 LED 灯。虽然距离只有短短的 30 厘米，但是整个实验暴露在外太空的环境中进行，证明他们的设计可以承受最严苛的环境条件。做为测试，他们也尝试让天线发射能量到远在地球表面，大学实验室的屋顶上。并且，还真的被他们量测到了数值。尽管规模不大，但这是宇宙太阳能第一次的轨道测试，结果相当振奋人心。

可弯曲天线阵列。图/PanSci YouTube

右方为可弯曲天线阵列（发射端），左边为接收端的 LED 灯泡。图/caltech.edu

如此看来，技术的发展似乎相当乐观。可是要用于民生发电，成本是很大的重点。宇宙太阳能真的符合经济效益吗?或是我们该把资源留给其他选项呢?

宇宙发电厂符合经济效益吗?

根据美国能源情报署 EIA 的资料，1GW 发电容量的发电厂，传统燃煤发电厂的初期建设成本，大约是一千亿台币，核电厂大约是两千亿台币。那宇宙太阳能呢?每 1kW 的发电需要二十公斤的材料，1GW 就需要两万公吨。目前 SpaceX 猎鹰重型火箭运送每公斤材料进入轨道，需要三万台币。也就是说，光是将设备全部送上太空的运输成本，就需要六千亿的惊人花费。再加上太阳能板与相关设备的建置成本，以地面型太阳能发电厂为参考的话，大概还要多花500亿台币。而 JAXA 方面的预估，打造第一座 1GW 宇宙太阳能至少需要一兆两千亿日圆，虽然比我们用猎鹰重型火箭预估的还要低，但仍是一笔庞大费用。

各种发电方式的成本与性能表现。图/美国能源情报署 EIA

那宇宙太阳能真的只是将钞票往太空撒，空有理想的计划吗?当然不是，有两个让科学家不放弃的理由——首先是未来建造成本一定会下修。太空的发射成本相比 50 年前，已经少了两个零，在 SpaceX 的发展下，还在持续地快速减少。另一方面，太阳能材料的轻量化工程也持续在进行，每 kW 发电重量只有十公斤或以下的太阳能材料已经不是虚构。新式的太阳能材料，我们未来也会陆续介绍。这两个因素加乘在一起，一兆两千亿日圆的成本，很有机会在几年内就减少为十分之一或更少。

发射火箭的成本逐年降低。图/futuretimeline.net

更重要的是，宇宙太阳能一但建置完成，就会成为可做为基载能源的再生能源，减少对石化燃料的依赖。甚至因为主要设备都在太空，地面只需要建设接收站，可能将解决许多偏远地区的能源问题，一举改变全世界的能源型态。而且与许多八字还没一撇的发电方式相比，宇宙太阳能已经算是距离现实很接近的选项，也难怪各个国家纷纷抢着要发展这块领域。不过虽说是永续能源，还是有许多方面值得深入研究。例如要把几万公吨的材料射到轨道中，需要排放多少的火箭废气?一但规模化，这些巨大的宇宙太阳能板是否会成为小行星的标靶，或在一次的太阳风暴过后，让轨道中堆满太空垃圾?

宇宙太阳能究竟能不能成为可靠的新兴未来能源，从想都不敢想，到开始精算成本，相信我们很快就会知道答案。