外太空太陽能發電站:解決能源問題的方法?

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國際太空站的光電板,每日為太空站提供能源。 圖片來源:NASA

俄烏戰爭令西方多國再次意識到世界能源供應體系之脆弱,化石燃料過分掌握在某些國家上。與此同時,環境保護已經成為發達國家的重點政策考慮,聯合國就把 2050 年淨零碳排放視為目標。要同時達到供電自主和環保,最理想辦法是發展可再生能源。英國政府正考慮推出一個總值逾 160 億英鎊的大膽方案 —— 在太空建設太陽能發電站。

樸茨茅夫大學機械及設計工程院長 Jovana Radulovic 就在學術網站 The Conversation 撰文,剖析該項目的可行性。2021 年,英國政府推出「淨零投資項目」(Net Zero Innovation Portfolio),列舉多項可以幫助國家達至碳中和的尖端技術,例如生物能源和大氣除碳技術,而外太空太陽能發電就是其中一環。要建立外太空發電站,除了要研究如何收集太陽能源,更複雜的一環是要把能源送返地球,近年的技術突破就令相關意念變得更加可行。

構想中的太空發電站,會安裝一座直徑約 1.7 公里、重 2,000 噸的巨型太陽能衛星,其表面由光電板覆蓋,光電板發電之後,會透過高頻無線電波將電力傳送到地球。相應地,地面會鋪設約 6.7 x 13 公里的「校正天線」(rectenna),把接收到的無線電波轉化為民間可以使用的電力,再接通全國電力網。傳統來說,在地面的太陽能發電站受到日照和天氣因素所影響,不能長期維持運作,但外太空發電站可以 24 小時接觸陽光,長年無休止生產電力,大大增加發電效能。

然而,要實行太空發電計劃依然困難重重。太空站會採用模組化設計(modular design),要由機械人在衛星軌道上拼砌組件。Radulovic 提及科學界在三大範疇取得技術突破,首先是超輕量太陽能板誕生,令運輸變得容易。另外,太空機械人技術變得成熟,也可以解決組裝發電站時遇到的問題。而無線電波技術改良,亦令電力發放和接收更加可行。不過,要把所有材料運輸到外太空,過程不單複雜,而且昂貴兼破壞環境。科學界亦正研究如何重用穿梭機來降低成本。

Radulovic 分析指,即使人類成功興建到太空太陽能發電站,運作時仍然會遇上幾點問題。首先,太陽板有可能會受到太空垃圾撞擊而受損。另外,沒有地球大氣層的保護,發電站要暴露在高濃度的太陽幅射之中,損耗速度會比地球發電站來得更快。最後是供電效率的問題,要進行長距離電力傳送,最終可能只有很小部分能源可以抵達地球。英國正在構思的計劃,預計在 2040 年落成,但每年只能傳送 2 吉瓦,而現時英國一年發電量就接近 76 吉瓦

除了英國之外,美國的海軍研究實驗室,亦已在 2020 年開始測試太空用太陽能模板和能源輸送系統。與此同時,中國正籌劃璧山空間太陽能電站,目標於 2035 年啟用。Radulovic 估計,外太空太陽能發電的初創成本會十分高昂,而且回報緩慢,預料需要大量政府補貼和私人投資。不過隨著技術進步,成本會下降,在全球能源供應會扮演愈來愈重要的角色。