現(xiàn)在，以日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）為中心，產(chǎn)學(xué)官在合作研發(fā)“空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)（SSPS＝Space Solar Power Systems）”。其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)，用空間技術(shù)為能源領(lǐng)域做貢獻(xiàn)。JAXA研發(fā)本部未踏技術(shù)研究中心研究員上土井大助接受了記者采訪。

　　“這是一項(xiàng)宏偉的計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)之路的確很漫長(zhǎng)。但如果放棄就一切都完了。我們現(xiàn)在只有堅(jiān)韌不拔地朝著夢(mèng)想一步步前進(jìn)。”

　　日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研發(fā)本部未踏技術(shù)研究中心研究員上土井大助堅(jiān)定地說(shuō)道。

　　現(xiàn)在，上土井等人正在著手開發(fā)“空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)”。如果實(shí)現(xiàn)，這種系統(tǒng)有望成為承擔(dān)未來(lái)能源供應(yīng)重任的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，日本內(nèi)閣會(huì)議2014年4月通過(guò)的《能源基本計(jì)劃》和內(nèi)閣宇宙開發(fā)戰(zhàn)略本部2013年1月通過(guò)的《宇宙基本計(jì)劃》都將其列入其中，并作為國(guó)策在推進(jìn)實(shí)施。

　　日本處在世界頂尖水平

　　空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，顧名思義是指在宇宙空間進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電，把所發(fā)電力轉(zhuǎn)換成微波和激光以無(wú)線方式傳送至地面，在地面接收并轉(zhuǎn)換成電能使用的發(fā)電系統(tǒng)。

　　雖然聽上去像是科幻電影的情節(jié)，但實(shí)際上，空間太陽(yáng)能發(fā)電的歷史悠久，可以追溯到1968年。最早由美國(guó)的航天工程師彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出。無(wú)線傳輸能源的原理已經(jīng)得到驗(yàn)證，日本如今是這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

　　宇宙空間不同于地面，不分白天和黑夜，也不受天氣情況的影響，盡管是自然能源也可24小時(shí)發(fā)電。而且，宇宙沒有空氣，沒有光的散射和吸收。因此，太陽(yáng)能電池板接收到的陽(yáng)光的光能是地面的5～10倍以上。

　　考慮到未來(lái)的技術(shù)發(fā)展，并估算從太空傳輸?shù)降孛鏁r(shí)會(huì)發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換損耗約為50％時(shí)，則太陽(yáng)能電池板單位面積的發(fā)電量還可為地面的2.5～5倍。而且，2011年3月11日的東日本大地震發(fā)生后，空間太陽(yáng)能發(fā)電作為能夠取代核電、火力發(fā)電成為基礎(chǔ)電源的自然能源，在日本的關(guān)注度陡增。

　　上土井意氣風(fēng)發(fā)地說(shuō)：“現(xiàn)在，全世界只有日本把開發(fā)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)作為國(guó)策，制定計(jì)劃并由產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合進(jìn)行研發(fā)。美國(guó)政府等因?yàn)樨?cái)政問(wèn)題和政策方針等原因，國(guó)家并沒有開展具有連續(xù)性的研究。因此，日本在空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)水平被認(rèn)為在全世界首屈一指。身為一名空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究者，我相信自己從事的是能夠?yàn)榻鉀Q人類的能源問(wèn)題做出貢獻(xiàn)的有意義的研究，希望我們能夠領(lǐng)先世界，早日實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)。”

　　他的夢(mèng)想是實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，利用空間技術(shù)為能源領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

　　志向雖然遠(yuǎn)大，但要克服的課題堆積如山。“課題的確不少”，一番開場(chǎng)白過(guò)后，上土井道出了JAXA在研發(fā)過(guò)程碰到的三大技術(shù)課題。第一個(gè)是“微波無(wú)線能源傳輸技術(shù)”，第二個(gè)是“激光無(wú)線能源傳輸技術(shù)”，第三個(gè)是“大型結(jié)構(gòu)體組裝技術(shù)”。

　　正在研發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)大致分為三項(xiàng)

　　在介紹這些技術(shù)的內(nèi)容和課題之前，首先來(lái)看空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

　　系統(tǒng)由設(shè)置在宇宙空間的空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星與設(shè)置在地面的接收設(shè)備兩部分組成。

　　空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星配備太陽(yáng)能電池板、把太陽(yáng)能電池板所發(fā)直流電轉(zhuǎn)換成微波和激光的裝置，以及向地面?zhèn)魉偷难b置三種裝置。

　　而地面的接收設(shè)備上，設(shè)有將微波和激光轉(zhuǎn)換為直流電的裝置和電力轉(zhuǎn)換機(jī)。通過(guò)該轉(zhuǎn)換機(jī)直流電再轉(zhuǎn)換成交流電，傳送到現(xiàn)有的商用電力網(wǎng)。

　　JAXA從1998年正式開始研究空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。最初，研究的核心人物是京都大學(xué)名譽(yù)教授、現(xiàn)任該校校長(zhǎng)的松本纮與已經(jīng)去世的前宇宙科學(xué)研究所（2003年并入JAXA）教授長(zhǎng)友信人，他們于1980年代從美國(guó)帶回了空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的概念。

　　迄今為止，以美國(guó)為中心，世界各地雖已提出了幾十種空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)方案，JAXA也用10多年的時(shí)間進(jìn)行了實(shí)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

　　JAXA目前仍未確定是使用微波還是使用激光從宇宙向地面?zhèn)魉碗娏?。原因是二者各有短長(zhǎng)。正在考慮按照用途區(qū)別使用。因此，JAXA正在平行研發(fā)兩種能源傳輸技術(shù)，計(jì)劃在2014年度末之前開展地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

　　首先來(lái)看第一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)“微波無(wú)線能源傳輸技術(shù)”，這究竟是一種什么樣的技術(shù)？

　　變化的發(fā)射天線面

　　微波是指具有從1mm到1m間的短波長(zhǎng)的電磁波。這種電磁波廣泛應(yīng)用于日常生活中的微波爐、手機(jī)和無(wú)線LAN，還有宇宙空間中的氣象衛(wèi)星、地球觀測(cè)衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星的通信等，其實(shí)就在身邊，與我們的生活息息相關(guān)。并且，雖然不是微波方式，但通過(guò)電磁感應(yīng)方式、磁共振方式無(wú)線傳輸能源的技術(shù)已經(jīng)確立并投入了實(shí)用。例如為手機(jī)、純電動(dòng)汽車的蓄電池非接觸充電的“無(wú)線供電”。但傳輸?shù)木嚯x有限。

　　那么，空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)使用微波無(wú)線傳輸能源的優(yōu)點(diǎn)是什么？

　　首先是波長(zhǎng)短，與波長(zhǎng)長(zhǎng)的電波相比，相對(duì)不容易擴(kuò)散。從高度為3.6萬(wàn)km的地球靜止軌道向接收天線傳送能源時(shí)，需要的接收天線的面積小于波長(zhǎng)長(zhǎng)的電波，能夠降低設(shè)備的建設(shè)成本。

　　其次是能夠穿透云層。在下雨和陰天的時(shí)候，只要選擇最佳的頻率，就能幾乎杜絕能源傳輸?shù)膿p失。

　　但微波也存在缺點(diǎn)。即便是微波，隨著距離的增加，電波的擴(kuò)散也會(huì)增大。微波的擴(kuò)散與發(fā)射天線的大小成反比。因此，為了盡可能縮小接收天線的直徑，避免傳輸能源出現(xiàn)損耗，反而需要擴(kuò)大發(fā)射天線的直徑。

　　微波無(wú)線能源傳輸技術(shù)開發(fā)上最大的難題，是控制微波束的方向，使能源準(zhǔn)確傳送到接收天線。

　　上土井說(shuō)：“激光也是如此，這是實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一大課題。”

　　降低這個(gè)問(wèn)題難度的一個(gè)辦法是，把空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星送入高度為3.6萬(wàn)km的地球靜止軌道。地球靜止軌道是永遠(yuǎn)與地球上的1點(diǎn)保持相同角度的軌道。因從地面看上去如同靜止一般而得名。如果從空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星向地球上固定的位置傳送微波，地球靜止軌道是最佳選擇。

　　然而，發(fā)射天線的尺寸增大后，天線面會(huì)變形，在構(gòu)造上無(wú)法完全保持平面，從而使微波束的方向發(fā)生錯(cuò)位。因此對(duì)微波束方向的控制就是必須的技術(shù)。

　　關(guān)于波束方向控制的困難程度，有這樣一個(gè)比喻：如果接收天線的直徑為幾公里，從3.6萬(wàn)km高空的地球靜止軌道瞄準(zhǔn)天線，就像是從東京瞄準(zhǔn)立在名古屋的直徑約為9m的圓靶。用角度來(lái)說(shuō)，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范圍之內(nèi)，需要精度極高的方向控制技術(shù)。

　　為此，JAXA正在研發(fā)這樣的微波相位控制技術(shù)：從接收天線向空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射用于引導(dǎo)的導(dǎo)頻信號(hào)，高精度檢測(cè)收到信號(hào)的方向，并向該方向發(fā)射微波束。

　　使用這種技術(shù)可以使微波束準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)接收天線的方向。并且，若事先設(shè)定了使微波在引導(dǎo)用導(dǎo)頻信號(hào)停止后不再匯聚，則即使出現(xiàn)意外情況導(dǎo)致微波的方向大幅偏離接收天線的位置，也可以保證安全性。此時(shí)，微波將呈現(xiàn)發(fā)散狀，不匯聚成束。

　　除此之外，JAXA還在考慮并用可修正發(fā)射天線模塊之間的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率達(dá)到最大。

　　“烤鳥問(wèn)題”要不要緊？

　　另一方面，大家或許會(huì)好奇，空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射的微波如果直接擊中天上的飛機(jī)和飛禽，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)危害？

　　上土井解釋說(shuō)：“這就是‘烤鳥問(wèn)題’，即人們擔(dān)心的穿越微波束的鳥會(huì)不會(huì)烤熟而落到地上的問(wèn)題。對(duì)于實(shí)用系統(tǒng)，我們計(jì)劃把發(fā)射到地面的微波的能量密度控制在與陽(yáng)光的能量密度相同的水平，不會(huì)對(duì)飛機(jī)和飛禽造成影響。”

　　但按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，人體允許的微波輻射水平為每m210W。因此，設(shè)置接收設(shè)備的區(qū)域需禁止人員進(jìn)入。

　　JAXA預(yù)定與（財(cái)）宇宙系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱：J-spacesystems）合作，于2014年度之前，在地面上設(shè)置間距約為50m的發(fā)射裝置和接收裝置，開展從發(fā)射裝置發(fā)射1.6kW左右的微波，控制微波束的方向，使其抵達(dá)接收裝置并轉(zhuǎn)換成電力的實(shí)驗(yàn)，目前正在進(jìn)行相關(guān)準(zhǔn)備。

　　上土井說(shuō)：“日本和美國(guó)過(guò)去也曾經(jīng)開展過(guò)發(fā)射微波并轉(zhuǎn)換成電力的實(shí)驗(yàn)。但使用半導(dǎo)體生成功率高達(dá)1.6kW的微波束，高精度控制方向傳送能源的實(shí)驗(yàn)在全世界尚屬首次，這是實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一步。微波無(wú)線能源傳送技術(shù)是日本領(lǐng)先的技術(shù)，我們一定要令其成功。”

　　2014年將成為里程碑

　　接下來(lái)看第二項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)“激光無(wú)線能源傳輸技術(shù)”。

　　使用激光的優(yōu)勢(shì)在于波長(zhǎng)比微波更短，與微波相比，收發(fā)裝置可以實(shí)現(xiàn)小型化。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短，波束就可越細(xì)，所以可以縮小發(fā)射天線與接收天線的直徑。因此能夠大幅削減建設(shè)成本。

　　但激光的弱點(diǎn)是會(huì)在云、雨、空氣、灰塵的作用下急劇衰減。能源傳輸送時(shí)的損失大于微波。

　　而且對(duì)于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果說(shuō)微波是從東京瞄準(zhǔn)名古屋的直徑約為9m的靶子，那么，激光瞄準(zhǔn)的則是直徑約為9cm的靶子。而且，與微波相比，激光的波束越細(xì)，能量集中的面積越小。因此，接收裝置附近需要更加嚴(yán)格的安全管理。

　　現(xiàn)在，JAXA準(zhǔn)備做以高精度的方向控制，從高度約為200m的塔上，向地面的接收裝置傳輸500W功率激光的實(shí)驗(yàn)，目前正在進(jìn)行準(zhǔn)備。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也計(jì)劃在2014年度內(nèi)實(shí)施。

　　上土井說(shuō)：“我們還預(yù)定通過(guò)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)大氣湍流對(duì)于激光的影響等。在2014年度，微波、激光都將開展大型實(shí)驗(yàn)，對(duì)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究來(lái)說(shuō)，將會(huì)是一個(gè)重要的里程碑。”

　　最后是第三項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)“大型結(jié)構(gòu)體組裝技術(shù)”。

　　為了讓空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)擁有相當(dāng)于1座核電站的1GW的發(fā)電能力，必須要在宇宙空間構(gòu)筑并配置幾公里見方、重達(dá)幾萬(wàn)噸的巨型太陽(yáng)能電池板和發(fā)射天線，組成空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星。

　　在宇宙空間構(gòu)筑幾公里見方的大型結(jié)構(gòu)體

　　巨型載人實(shí)驗(yàn)設(shè)施“國(guó)際空間站（ISS）”從1998年開始在約400km高空的軌道上進(jìn)行組裝，雖說(shuō)是巨型，但建成時(shí)的尺寸只有大約108m×73m，體積約為1200m3，重量約為419噸。而且，空間站所在的近地軌道的高度只有地球靜止軌道的百分之一左右。與之相對(duì)比，也就不難想像配置大規(guī)?？臻g太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星的艱巨程度。

　　上土井說(shuō)：“國(guó)際空間站是通過(guò)40多次發(fā)射，把大量的構(gòu)件運(yùn)往太空，由航天員通過(guò)操作機(jī)械臂、進(jìn)行艙外活動(dòng)，在軌道上慢慢組裝的。而空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星必須在地球靜止軌道上構(gòu)筑面積達(dá)到數(shù)km見方的太陽(yáng)能電池板和發(fā)射天線。這樣的工程根本無(wú)法單純依靠人工。因此，我們現(xiàn)在正在研發(fā)組裝裝置和依靠機(jī)器人的無(wú)人組裝技術(shù)。”

　　JAXA當(dāng)前的目標(biāo)是研發(fā)出100m規(guī)模結(jié)構(gòu)體的無(wú)人組裝技術(shù)。從2010年度開始，研發(fā)的重點(diǎn)放在了展開桁架組裝技術(shù)上。

　　這種技術(shù)，是將發(fā)射上去時(shí)為折疊狀態(tài)的桁架結(jié)構(gòu)體，使用專門的組裝裝置在軌道上自動(dòng)展開并組合起來(lái)，將平板狀結(jié)構(gòu)體以無(wú)人方式組裝。太陽(yáng)電池板和發(fā)射天線都將設(shè)置在結(jié)構(gòu)體上。

　　2012年度，JAXA曾進(jìn)行了展開桁架結(jié)構(gòu)體的自動(dòng)展開、組合功能的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取得了良好的成果。

　　雖如此，但組裝中形態(tài)維持、姿態(tài)和軌道控制、熱變形補(bǔ)償?shù)鹊?，今后需要解決的課題還有很多。

　　“宇宙空間大型宇宙結(jié)構(gòu)體的無(wú)人組裝技術(shù)是一項(xiàng)前所未有的技術(shù)，非常具有挑戰(zhàn)性。只要掌握了這項(xiàng)技術(shù)，就能大幅拓展太空任務(wù)的可能性，我們?cè)谘芯恐懈惺艿搅司薮蟮某删透?rdquo;，說(shuō)到這里，上土井的眼中閃爍著光芒。

　　上土井接著說(shuō)道，“其實(shí)還有一個(gè)堪稱最大的課題”。那就是如何以低成本將如此巨大的結(jié)構(gòu)體構(gòu)件送入地球靜止軌道。

　　運(yùn)輸是最大課題

　　向宇宙空間運(yùn)輸大量構(gòu)件需要多次發(fā)射。過(guò)去使用的一次性火箭不僅時(shí)間上跟不上需求，成本也十分龐大。

　　空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)要想在一定程度上滿足世界規(guī)模的能源需求，需要發(fā)射數(shù)百顆空間太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星。就算加快制造速度，1年制造1顆，但1年必須運(yùn)輸?shù)臉?gòu)件多達(dá)幾萬(wàn)噸。這就需要采用可以重復(fù)利用的大型航天運(yùn)輸機(jī)。

　　上土井說(shuō)：“就像前面介紹的一樣，實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)估計(jì)還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。因此，為了使研發(fā)的成果回報(bào)社會(huì)，我們從較早階段，就在同步研究能夠小規(guī)模投入實(shí)用的任務(wù)和基礎(chǔ)技術(shù)的分拆任務(wù)。”

　　在研發(fā)空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)程中得到的基礎(chǔ)技術(shù)同樣可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。比方說(shuō)，使用微波和激光的無(wú)線能源傳輸技術(shù)如果應(yīng)用于地面間傳輸，或許可以置換部分供電電纜。而大型結(jié)構(gòu)體組裝技術(shù)估計(jì)也將成為未來(lái)宇宙開發(fā)的推動(dòng)力。

　　最后，上土井堅(jiān)定地表示：

　　“通往空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的道路還有著重重阻礙，但我們相信，我們要做的是一點(diǎn)點(diǎn)地推進(jìn)研究開發(fā)的進(jìn)展，我們?yōu)榇藢⒉恍傅嘏?。空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)如果實(shí)現(xiàn)，不僅有可能成為承擔(dān)未來(lái)能源供應(yīng)重任的基礎(chǔ)設(shè)施，還有可能使日本成為能源出口國(guó)。雖然不知道需要30年還是40年，但我們會(huì)把眼光放遠(yuǎn)，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)”。