未來科技：太空光伏發(fā)電計劃

　　長年困擾日本的能源問題也許能夠從根本上得到解決。在宇宙空間發(fā)電并直接向地面輸送電能的系統(tǒng)將成為解決能源問題的殺手锏。在系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)之前，無線供電等基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)在開花結(jié)果了。

　　日本政府2015年1月制定的“宇宙基本計劃”中，包含了一項(xiàng)要推進(jìn)研發(fā)的“未來技術(shù)”。那就是使太陽能電池板漂浮在宇宙空間，將所發(fā)電力輸送到地面的“宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)”。

　　這項(xiàng)研究目前還面臨著許多有待解決的技術(shù)課題，目前預(yù)計的開發(fā)費(fèi)用將超過1～2萬億日元。據(jù)稱最快2040年實(shí)現(xiàn)。雖然路途艱難，但實(shí)用化，就能改變整個世界的能源產(chǎn)業(yè)。

　　所謂宇宙光伏發(fā)電，是要在3.6萬公里高空的同步衛(wèi)星軌道設(shè)置上專用衛(wèi)星，在宇宙空間利用太陽能發(fā)電，再把電能轉(zhuǎn)換為電波，輸送到地球。最后在地面的受電基地再恢復(fù)成電能。

　　在沒有云層遮擋的宇宙空間，可以不間斷地穩(wěn)定發(fā)電，因此與地面的光伏發(fā)電相比，發(fā)電效率約是后者的10倍。而且，向地面的受電基地定點(diǎn)供電的方式也具有較大的優(yōu)勢。只要建設(shè)好受電基地，即便是深山、海上等交通不便的場所，也可以大量供應(yīng)發(fā)電過程碳排放為零的清潔電力。

　　而且，在宇宙空間生產(chǎn)的無窮的電能，還可以從日本擁有的衛(wèi)星，輸送給其他國家。讓沒有資源的日本轉(zhuǎn)型為能源出口國，也不再只是夢想了。

　　美國凍結(jié)計劃日本一馬當(dāng)先

　　宇宙光伏發(fā)電的方案是在1968年由美國的PeterGlaser博士提出的。之后一直以美國宇航局(NASA)為中心推進(jìn)研發(fā)。但現(xiàn)在，出于財政等原因，NASA的開發(fā)計劃遭到了凍結(jié)。部分民營企業(yè)雖然也在繼續(xù)進(jìn)行研究，但沒有取得突出的成果。

　　于是，從1980年代開始參與研發(fā)的日本沖到了領(lǐng)跑的位置。文部科學(xué)省等管轄的日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省下屬的宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)合作，正在聯(lián)手開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)。

　　宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)部擔(dān)當(dāng)部長中村修治自豪地說：“還在繼續(xù)開展研發(fā)的國家只有日本。我們引領(lǐng)著世界。”宇宙光伏發(fā)電系統(tǒng)如上圖所示，大致分三個階段。

　　首先是設(shè)置在宇宙空間的衛(wèi)星利用太陽能發(fā)電，將電能轉(zhuǎn)換成微波或者激光。這是第一階段。接下來是準(zhǔn)確向地面輸送電波。最后利用地面的天線接收電波，重新復(fù)原成電能。

　　其中最大的課題是衛(wèi)星。使用過去研發(fā)的主流——微波作為供電方式時，設(shè)置在宇宙空間的發(fā)電衛(wèi)星的成本非常高昂。

　　利用宇宙太陽能生產(chǎn)1座核電站的發(fā)電量，即100萬千瓦，必須在宇宙空間內(nèi)，鋪設(shè)約2公里見方的太陽能電池。如果達(dá)不到這樣的面積，從宇宙空間到地面，在3.6萬公里的供電過程中，電波將會擴(kuò)散。使用上面提到的太陽能電池時，在地面上也需要設(shè)置直徑約為4公里的受電天線。

　　由于需要的衛(wèi)星體型巨大，發(fā)射成本自然也是巨大。

　　以發(fā)電量為100萬千瓦計算，資材的重量約為1.5萬噸。即使每次能夠發(fā)射50噸，也要發(fā)射300次。因此，資材的運(yùn)輸不能使用一次性火箭，必須將航天飛機(jī)等可以重復(fù)使用的太空飛機(jī)實(shí)用化。在此前提下估算，整體的成本至少需要1～2萬億日元以上，“考慮到利潤，以現(xiàn)在的技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)”(JAXA工作人員)。

　　供電方式不只是手機(jī)等使用的微波。JAXA還考慮采用波長僅為微波約5萬分之1的激光。

　　微波可以不受天氣影響進(jìn)行供電，但如上所述，微波存在導(dǎo)致負(fù)責(zé)供電的衛(wèi)星和負(fù)責(zé)受電的天線大型化的問題。另一方面，激光雖然能實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，但容易受到云和雨的遮擋，無法充分發(fā)揮宇宙太陽能的優(yōu)勢。而且，如果天線受電不準(zhǔn)確，還有可能危害人體健康。二者都各有長短。

　　除此之外，包括如何確保設(shè)置受電天線的大片用地、如何取得宇宙光伏發(fā)電使用的電波波段在內(nèi)，課題還有很多。

　　考慮到這些情況，美國決定凍結(jié)計劃。那么，日本為什么還在堅持研究呢?

　　這從2015年3月在兵庫縣內(nèi)進(jìn)行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以一探究竟。

　　JAXA、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、三菱電機(jī)等，開展了將電能轉(zhuǎn)換成微波，向54m開外的受電天線發(fā)送的實(shí)驗(yàn)，得到的電能超過了預(yù)期。

　　54m與3.6萬公里似乎相去甚遠(yuǎn)，但推進(jìn)機(jī)構(gòu)的中村說：“只要建立起根據(jù)受電部的天線發(fā)出的信號，準(zhǔn)確輸送電波的技術(shù)，就能提高轉(zhuǎn)換效率，延長傳輸距離?！?/p>

　　向無人機(jī)無線供電

　　微波供電和受電天線——奠定宇宙光伏發(fā)電基礎(chǔ)的這兩項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

　　比如說，無人機(jī)充電一次可飛行幾十分鐘左右。目前還需要在斷電前返回地面的充電基地，而使用微波無線供電的話，就可以持續(xù)飛行。

　　福島第一核電站的報廢作業(yè)、橋梁和高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的檢查等，無人機(jī)的活用范圍將飛躍式擴(kuò)大。甚至可能出現(xiàn)自動為特定區(qū)域內(nèi)的手機(jī)充電的服務(wù)等。

　　通過推進(jìn)宏偉的宇宙太陽能計劃，加快必要的基礎(chǔ)技術(shù)的革新速度，從而回饋社會——出于這樣的目的，日本政府決定繼續(xù)實(shí)施計劃。

　　其效果還帶動了其他技術(shù)。開發(fā)發(fā)電衛(wèi)星配備的玻璃鏡的日本電氣硝子以宇宙太陽能為契機(jī)，拓展了業(yè)務(wù)范圍。

　　日本電氣硝子于2010年，應(yīng)JAXA“制造1m2重100g的玻璃鏡”的要求，著手對玻璃進(jìn)行輕量化。在2014年成功開發(fā)出了世界最薄、約為0.03mm的玻璃。為得到手機(jī)等產(chǎn)品的采用，該公司正致力于生產(chǎn)的穩(wěn)定化?；仡櫘?dāng)時，執(zhí)行董事薄膜業(yè)務(wù)部長金井敏正說：“宇宙太陽能計劃推動了技術(shù)革新?！?/p>

　　雖然成本、技術(shù)等課題還為數(shù)眾多。但放棄宇宙光伏發(fā)電還為時尚早。

　　宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)等為實(shí)現(xiàn)小型發(fā)電系統(tǒng)，已經(jīng)行動了起來。他們沒有一次性建設(shè)巨型設(shè)備，而是要發(fā)射多顆小型衛(wèi)星。計劃通過連接衛(wèi)星，慢慢擴(kuò)大規(guī)模，借此降低成本。

　　能源問題是人類永遠(yuǎn)的課題。作為引領(lǐng)人類從根本上解決這一課題的夢幻技術(shù)，宇宙光伏發(fā)電肩負(fù)著重望。