郑锡荣

寻来能源问题的两全之策

  多少年来，能源问题一直困扰着人类。人们的衣食住行无不与能源有关。生活越现代化，能源的消耗量也就越大。可以毫不夸张的说，能源之与我们，有如水与空气一样，不可须臾分离。当然，人口越多，能源的消耗量也越大。根据预测，到2050年，全球人口将达到100亿，其中85％居住在发展中国家。一个重大的问题是：怎样才能为人类提供不断增长的能源，而又尽可能少的减少对环境的不利影响。依赖化石燃料决非上策。因为燃烧煤、石油和天然气，将产生大量的二氧化碳，所产生的温室效应将使全球气候发生意想不到的变化。再说，化石燃料也不是取之不尽用之不竭的。有人估计，它们将在几十年内告罄。

  核裂变反应堆发电（即通常所说 的原子能发电）能避免产生温室效 应，但迄今为止，尚无法解决核废料 的弃置问题。受控核聚变也许有朝 一日能为人类提供无穷无尽的干净 能源，但是在40年连续投资研究之 后，今天仍然看不到一台实用核聚变反应器的身影。

  当然还有各种所谓的再生能 源。但是，迄今为止开发得最彻底的 水力发电，有可能在很大程度上对生 态系统和人类栖息地带来不利影 响。太阳能、生物能和风力发电也都 会跟人类和自然生态体系争用土地， 很难成为解决全球性能源问题的良方。

  况且，诸如陆地上的太阳能光电 池或是生物量燃料等再生能源系统， 在连续工作的情况下，每平方米的发 电能力还不到0.01千瓦。

  既要发展能源，又不能破坏环 境，怎样才能两全呢？

想到了外空间

  要寻求两全之策，许多科学 家还是着眼于太阳能。要想不间 断地利用太阳能，只能是在外空 间。在那儿，太阳终日照耀，没有 乌云挡住阳光，也没有黑夜。安 装在卫星上的太阳能电池每天天24小时、每年365天不间断地 发电，且发电能力为地面的10 倍，即每平方米0.1千瓦。如能 把这些电力传输回地面，则困惑全球的能源问题将一劳永逸地 得到解决。

  在70年代的石油危机中， 一位美籍捷克工程师首次提出太阳能发电卫星的（SPS）的 方案。他的设想是：在高度为36000千米的地球同步卫星上，部署单元面积 为50平方千米的太阳能电池系统。由于这种卫星绕地球一圈需24小时，跟地球 的自转同步，因此，它好像是一直停留在地球上某处上空一样。

  真是绝妙的想法！先由卫星上的光电池把阳光转换成电流， 用来为其上的微波发生器提供 电力，微波束将穿越空间和大气 层，直射地面。在地上，接收天线 系统将收集这些微波，重新将其 转换成电力，供当地直接使用， 或并入电力网。

挠头的技术问题

  人们从一开始就知道，这项 工程将面临极富挑战性的技术 问题。

  一是无线的尺寸。从36000 千米高的地球同步卫星上把大 功率电力传输下来，要求卫星上 的圆盘形发射无线直径达正千 米左右；由于微波束会发散，要 求地面上的接收天线直径达 10 千米左右。两项工程都会令人望 而却步。

  二是把太 空太阳能电站 发射上天所需 的巨大费用。直到目前，把物体 发射入太空的费用，是同一物体 搭乘飞机飞越几千千米所需 用的1000倍。不可思议的是；两 种情况下，能量消耗却差不多相 同，都是每千克有效载荷约10 千瓦小时。影响费用的因素有 二：向太空成功发射需配备大量的 技术人员，以及每次发射后不得 不丢弃飞行器的大部分。而一架 飞机却能重复飞行无数次。

  三是传输电力所使用的微 波强度。用过微波炉的人都知 道，微波会使食物发热而被煮 熟。传输电力微波束会不会把大气层变成一个 大微波炉，把误入 微波束中的人或 物煮熟？

  四是微波波谱频率的共享问题。微波波谱是悠闲的。天体物理学家担心他们想探测的来自宇宙深处的微弱信号，会因为卫星发射的微波的干扰尔无法接收到。

卫星通信网带来希望

  在70年代，由于这项规划耗资巨大，而且可行性尚显得渺茫，各国政府和许多大公司都不敢轻易上马。即使是财大气粗、雄心勃勃的美国宇航局（NASA）和能源部，在70年代末也对该项计划失去了兴趣。但是，在刚刚过去的几年里，情况起了变化。通信业宣布的卫星通信规划，为卫星太阳能发电燃起了希望之火。到21世纪初，成群结队 的通信卫星将在低 空绕地球运转，向地球上各个角落发送声音、图像和数 据。这些卫星是用 微波束来传送通信的。既然早在 1963年，人们航在采用微波传输电力的试验中 取得了成功，那么，今天何不用同一束微波，既传送通信数据，又传输电力呢？

  让我们来看看摩托罗拉公司的一项努力。

  摩托罗拉公司正为“铱星”规划投资38亿美元，把而颗通信卫星送入低空轨道。这些通信卫星的高度仅为几百千米，它们各自每叨分钟绕地球一圈。其中有一轨道平面组的倾斜度可达到南 北纬86”。由于为数众多，卫星上的太阳能电池单元直径可减小至几百米。又由于离地较近，它们发出的微波束发散程度小，地面线的直径也就可以小得会更加便宜。这一系列 大大增大了卫星太阳能发电 的可行性。

  当然低轨道运行也会带来 新的问题。由于绕地周期短，就 必须具备复杂的电脑控制系统， 以便使微波束准确地射向接收天 线。在电脑技术日新月异的今 天，这不会是不可逾越的障碍。

降低费用完全可能

  前面讲到第二个困难是发射费用问题。建立通信卫星网对于降低发射费用显然是有利的。当 把大量器材送入太空时，常规发射的费用就会降低。这是因为多次使用某一发射系统，会使每次使用的成本降低。美国宇航局还在寻找新一代可重复使用的发射工具，以取代航天飞机。其目标是把每千克载荷的发射费用 降至2200美元，仅为航天飞机 的 1／10。

  太阳能发电卫星能很快赚 回把它发射上天所耗的能量。按照保守的估计，在地面上重1千克的物质，在轨 道的发电能力为0.1千瓦。据此计算，把卫星送上天所需的每千克10千瓦小时的能耗，在卫星发电100小时后，就能全部回收了。

  降低发射成本还有一个方法：采用充气太阳能收集器。这 可以使收集器表面积尽可能地 大，而重量又减至最轻。未充气的太阳能收集器可折叠起来放 在宇宙飞船内。一旦进入轨道， 压缩容器里的气体就会使它充 气成型。

  实际上，目前在运行把无线电波反射回地球1号卫星，就是一个充气球体。 1996年 5月，“奋进号”航天飞机 曾成功地把直径达14米的充氮 天线部署在轨道上。这也表明， 在太空用充气部件拼装太阳能 发电卫星并非遥不可及。

造就一个更“绿”的地球

  有人害怕太阳能发电卫星网络会使大气层成为一个大微波炉。这种顾虑是多余的。卫星采用的微波强度将远低于使物体发热的微波强度，大约只当于从微波炉里泄漏出来，或是移动电话无线发出的那么一点点微波量。可以说，这种强度的微波波，对人的健康是无害的。当然，微波束聚焦于其上的接收天线，承受的微波强度会大的多，但人们完全可在其周围加以隔离。至于微波波谱资源有限问题，确实该好好规划一下，事先做好工作，各有关方面严格执行，共同享有这份宝贵的资源。

  太阳能发电卫星能否成为现实，将取决于通信业和电力业 何时能携手进入太空发电事业，取决于人们何时能认清其商业 前景。不妨回忆一下，30年前，谁能想得到会有通信卫星？而10年前，又有谁想到过因特网？

  卫星太阳能发电的方方面面都已不会构成重大困难。 光电池和微波发射都已被人 们解得一清二楚。当然，还需进行演习，让太阳能电池板。相控阵微波无线、地面接收站进协同工作。

  卫星太阳能发电好处之大，令人向往。有朝一日，发电卫星网络将向地面提供100亿－ 300亿千瓦的电 力，完全满足21纪人类的需求。能量生产将远离地球表面，每一个人将生活在更“绿”的星球上，人类将永远 摆脱能源缺乏的苦恼。