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“遠(yuǎn)距離無線傳能技術(shù)”是難關(guān)

發(fā)電效率高、持久、清潔，不受季節(jié)、晝夜變化影響，甚至還能作為深空探測(cè)能源系統(tǒng)的候選方案，使航天器擺脫巨大的太陽能電池翼......空間太陽能發(fā)電這種“顛覆性技術(shù)”，國(guó)內(nèi)十幾年前便已展開討論。

2006年，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司組織空間太陽能電站概念研討會(huì)；2011年，王希季、閔桂榮、周炳琨、梁思禮和龍樂豪等多位院士專家提出“發(fā)展空間太陽能電站從根本上解決能源和氣候變化危機(jī)的建議”。

2014年，國(guó)家層面組織專家開展“太空發(fā)電站發(fā)展規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)體系”論證工作，并提出中國(guó)空間太陽能電站發(fā)展路線圖：

第一階段是在2030年左右建設(shè)兆瓦級(jí)空間太陽能試驗(yàn)電站，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急供電并開展科學(xué)研究；第二階段是在2050年前具備建設(shè)吉瓦級(jí)商業(yè)化空間太陽能電站的能力，滿足國(guó)家可持續(xù)發(fā)展對(duì)能源安全的戰(zhàn)略需求。其中第一階段，又分三步走。首先進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的地面及浮空器試驗(yàn)驗(yàn)證；其次是進(jìn)行高空超高壓發(fā)電輸電驗(yàn)證；最終進(jìn)行空間無線傳能試驗(yàn)。

經(jīng)過十幾年的討論，技術(shù)原理早已不是問題，路線圖也早就提出，為什么現(xiàn)在才開始建設(shè)實(shí)驗(yàn)基地？主要還是因?yàn)榭臻g太陽能電站真正建設(shè)起來難度較高，投入成本巨大，因此是否應(yīng)當(dāng)發(fā)展空間太陽能電站在國(guó)內(nèi)也存在很大爭(zhēng)議。

空間太陽能電站概念圖

空間太陽能電站的難點(diǎn)之一是無線傳輸能量技術(shù)。

“大功率空地能量傳送？一個(gè)失誤就是燒烤現(xiàn)場(chǎng)?！痹芯W(wǎng)友如此評(píng)論道。

調(diào)侃歸調(diào)侃。按照設(shè)計(jì)構(gòu)想，中國(guó)空間太陽能電站將距地面3.6萬公里，位于地球的同步軌道上，屬于高軌道。而大多數(shù)衛(wèi)星、空間站都在近地軌道上，例如國(guó)際空間站一般在距地表300多公里的軌道上運(yùn)行。而空間太陽能電站的高度是空間站的100多倍。在這樣的高度上進(jìn)行能量傳輸，難度可想而知。

據(jù)《中國(guó)新聞周刊》報(bào)道，楊士中團(tuán)隊(duì)今年8月曾對(duì)外表示，太空電站的關(guān)鍵，在于將電從太空以無線的方式穩(wěn)定地傳輸?shù)降孛骐娋W(wǎng)，因此大功率、遠(yuǎn)距離無線傳能技術(shù)的突破是一個(gè)必須跨越的難關(guān)，比如傳輸效率是否足夠大，波束是否指向規(guī)定的接收口徑，讓誤差盡可能縮小。這些技術(shù)都要先在浮空平臺(tái)上做試驗(yàn)，為今后真正的空間太陽能電站打下基礎(chǔ)。

目前，空間太陽能電站的遠(yuǎn)距離無線能量傳輸載體有微波和激光兩種解決方案。相較而言，微波的能量傳輸效率更高，云層穿透損耗低，安全性較好，且技術(shù)相對(duì)成熟，因此現(xiàn)行方案多以微波傳輸為主。

長(zhǎng)征八號(hào)火箭發(fā)射

空間太陽能電站的難點(diǎn)之二，是如何將電站組件發(fā)射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。目前，人類最大的航天器——國(guó)際空間站重400多噸，而一個(gè)工業(yè)級(jí)空間太陽能發(fā)電站重達(dá)上千噸。因此，專家們也將空間太陽能電站稱為航天與能源領(lǐng)域的“曼哈頓工程”。

2019年6月，由國(guó)防科技工業(yè)局主管的中國(guó)航天基金會(huì)發(fā)文指出，中國(guó)目前在研的長(zhǎng)征9號(hào)重型運(yùn)載火箭起飛推力達(dá)5873噸，最大起飛重量4137噸，能將140噸有效載荷送入近地軌道，同時(shí)具備50噸級(jí)地球同步軌道運(yùn)力。以空間太陽能電站最小構(gòu)型計(jì)算也需要發(fā)射至少140次，而且需要在兩年周期內(nèi)完成在軌組裝，任務(wù)要求在一個(gè)月內(nèi)至少發(fā)射六次重型火箭，不論是發(fā)射難度還是發(fā)射成本都無法接受。

中國(guó)航天基金會(huì)官方微信截圖

不僅如此，還要考慮到空間太陽能電站的在軌組裝難度。目前，空間站由幾個(gè)艙段構(gòu)成，組裝時(shí)操作太空機(jī)械臂就可以實(shí)現(xiàn)，接口的控制也不須考慮過多。而太空電站需要組裝大量的模塊，組裝時(shí)再采用空間自主交會(huì)對(duì)接方式將十分麻煩。

長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性也是重要問題。首先是設(shè)備在太空中的運(yùn)行安全問題，其次是微波輻射下對(duì)生態(tài)、大氣、生物體等的影響問題。8月17日，《南華早報(bào)》援引北京交通大學(xué)一個(gè)研究小組去年的一項(xiàng)研究，稱居民無法居住在距離1吉瓦空間太陽能電站地面接收站5公里范圍內(nèi)。

另外，不得不考慮的還有空間太陽能電站的成本問題。中國(guó)三峽水電站的總裝機(jī)容量是2250萬千瓦，截至2019年完工時(shí)，累計(jì)完成投資1849億元。而被稱作“太空三峽”的空間太陽能電站，按路線圖2050年前具備吉瓦級(jí)（百萬千瓦）發(fā)電能力，被傳總投資約3000億元，但真正投資數(shù)額目前還無法得知。

不過，中國(guó)航天基金會(huì)發(fā)文稱，長(zhǎng)征9號(hào)的運(yùn)載能力有望大幅提升，我國(guó)在立項(xiàng)階段就設(shè)定了三種型號(hào)，分別為拓展型，增強(qiáng)型和熱核型，其中熱核型為核動(dòng)力推進(jìn)裝置，能將運(yùn)載能力直接翻倍，空間太陽能電站的發(fā)射次數(shù)也減為70次左右，未來再加上火箭回收技術(shù)，其發(fā)射成本將會(huì)大幅下降。

在部分科學(xué)家看來，雖然“太空三峽”投入成本巨大，但收益也十分可觀。中科院院士葛昌純撰文稱，空間太陽能電站的發(fā)展將極大地帶動(dòng)低成本運(yùn)載、空間大規(guī)模建造等空間前沿技術(shù)的跨越式發(fā)展，為中國(guó)進(jìn)一步和平利用太空、開發(fā)空間資源開辟新的空間，推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)夢(mèng)早日實(shí)現(xiàn)。

空間太陽能電站概念圖