這聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)：巨大的太陽(yáng)能發(fā)電站漂浮在太空中，將巨大的能量輻射到地球上。長(zhǎng)期以來(lái)，這一概念(最初由俄羅斯科學(xué)家Konstantin Tsiolkovsky于1920年代提出)主要是對(duì)作家的啟發(fā)。

然而，一個(gè)世紀(jì)后，科學(xué)家在將這一概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)方面取得了巨大進(jìn)步。歐洲航天局已經(jīng)意識(shí)到了這些努力的潛力，現(xiàn)在正尋求為此類(lèi)項(xiàng)目提供資金，并預(yù)測(cè)我們將從太空獲得的第一種工業(yè)資源是“束流發(fā)電”。

氣候變化是我們這個(gè)時(shí)代最大的挑戰(zhàn)，因此存在很多風(fēng)險(xiǎn)。從全球氣溫升高到天氣模式轉(zhuǎn)變，全球已經(jīng)感受到氣候變化的影響?？朔@一挑戰(zhàn)將需要徹底改變我們產(chǎn)生和消耗能量的方式。

近年來(lái)，可再生能源技術(shù)得到了飛速發(fā)展，具有更高的效率和更低的成本。但是，吸收它們的一個(gè)主要障礙是它們不能持續(xù)提供能量。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)僅在刮風(fēng)或曬太陽(yáng)時(shí)才產(chǎn)生能量，但我們每天都需要全天候供電。最終，我們需要一種能夠大規(guī)模存儲(chǔ)能量的方法，然后才能轉(zhuǎn)向可再生能源。

空間的好處

解決這個(gè)問(wèn)題的一種可能方法是在太空中產(chǎn)生太陽(yáng)能。這有很多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)天基太陽(yáng)能發(fā)電站可以一天24小時(shí)面向太陽(yáng)運(yùn)行。地球的大氣層也吸收并反射一些太陽(yáng)光，因此大氣層上方的太陽(yáng)能電池將接收更多的陽(yáng)光并產(chǎn)生更多的能量。

但是要克服的主要挑戰(zhàn)之一是如何組裝，發(fā)射和部署如此大的結(jié)構(gòu)。單個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電站可能必須高達(dá)10公里的面積相當(dāng)于1400個(gè)足球場(chǎng)的平方。使用輕質(zhì)材料也將至關(guān)重要，因?yàn)樽畲蟮闹С鰧⑹菍⒒鸺l(fā)射到太空的費(fèi)用。

藝術(shù)家將太陽(yáng)能衛(wèi)星的概念稱(chēng)為集成對(duì)稱(chēng)集中器SPS概念。圖片來(lái)源：NASA

一種建議的解決方案是開(kāi)發(fā)成千上萬(wàn)個(gè)較小的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將聚集在一起并配置為一個(gè)大型的太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)。2017年，加利福尼亞理工學(xué)院的研究人員概述了模塊化電站的設(shè)計(jì)，該電站由數(shù)千個(gè)超輕太陽(yáng)能電池磚組成。他們還展示了一種原型瓷磚，每平方米的重量?jī)H為280克，與卡片的重量相似。

近來(lái)，也正在針對(duì)這種應(yīng)用關(guān)注諸如3-D打印的制造方面的發(fā)展。在利物浦大學(xué)，我們正在探索將超輕型太陽(yáng)能電池印刷到太陽(yáng)帆上的新制造技術(shù)。太陽(yáng)帆是一種可折疊，輕便且高反射率的薄膜，能夠利用太陽(yáng)輻射壓力的作用來(lái)推動(dòng)航天器向前推進(jìn)而無(wú)需燃料。我們正在探索如何將太陽(yáng)能電池嵌入太陽(yáng)能帆結(jié)構(gòu)中，以創(chuàng)建大型的無(wú)燃料太陽(yáng)能發(fā)電站。

這些方法將使我們能夠在太空中建造電站。確實(shí)，有一天有可能在國(guó)際空間站或?qū)⒗@月軌道運(yùn)行的未來(lái)月球門(mén)戶(hù)站制造和部署太空裝置。這樣的設(shè)備實(shí)際上可以幫助在月球上供電。

可能性不止于此。盡管我們目前依靠地球上的材料來(lái)建造電站，但科學(xué)家們也在考慮利用太空中的資源進(jìn)行制造，例如月球上發(fā)現(xiàn)的材料。

另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是將功率傳輸回地球。該計(jì)劃是將太陽(yáng)能電池中的電能轉(zhuǎn)換為能量波，并利用電磁場(chǎng)將其向下傳遞到地球表面的天線(xiàn)。天線(xiàn)然后將波轉(zhuǎn)換回電能。由日本航空航天局領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)并展示了一種能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的軌道系統(tǒng)。

在這個(gè)領(lǐng)域仍然有很多工作要做，但是目標(biāo)是在未來(lái)幾十年中實(shí)現(xiàn)太空中的太陽(yáng)能發(fā)電站成為現(xiàn)實(shí)。中國(guó)的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)名為Omega的系統(tǒng)，目標(biāo)是到2050年投入運(yùn)行。該系統(tǒng)應(yīng)能夠以最高性能向地球電網(wǎng)提供2GW的電力，這是一個(gè)巨大的數(shù)目。為了用地球上的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生那么多的電力，您將需要超過(guò)600萬(wàn)個(gè)。

像設(shè)計(jì)為月球漫游器供電的那些較小的太陽(yáng)能衛(wèi)星，甚至可以更早地投入運(yùn)行。

在全球范圍內(nèi)，科學(xué)界正在投入時(shí)間和精力來(lái)發(fā)展太空太陽(yáng)能電站。我們希望，它們有一天可以成為我們應(yīng)對(duì)氣候變化的重要工具。

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