最近,科技日报似乎漫不经心地发布了一个新闻:
中国微波无线输电技术取得重大突破。
在百米距离上,系统实现了1180瓦直流电传输,传输效率达到20.8%,波束收集效率高达88.0%,发射能量几乎全部被接收端捕获。
这个新闻并没有引起大的关注,大家刷到之后都觉得,这不就是一个大号的手机无线充电器吗?有什么可大惊小怪的?
但如果我们把这套系统放大,把千瓦级放大到吉瓦级,把发射端从百米提高到3.6万公里的地球同步轨道,会是什么景象?
没错,太空发电!
在三万六千公里的轨道上,把太阳能转化为电能,然后用微波射回地球!
这不就是戴森球的雏形吗?
难道,中国真的要把发电站发射进太空了?
没错,中国正在干这件事,这就是中国的“逐日计划”。
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网上有个段子,说人类文明史几千年,但获取能量的方式其实一直很单一——烧开水。
远古时代我们烧木头,后来我们烧煤炭。后来我们发明了发电机,但发电机的动力哪来的?还是靠烧煤、烧天然气。
但地球上的化石燃料早晚有一天会烧完,如果人类一直依赖化石能源,那就是死路一条。
所以,人类一直在寻找无污染的清洁能源,比如风电、水电和光伏。
但清洁能源也有个bug,不稳定。
水电到旱季就抓瞎,风电没风的时候就是摆设,至于光伏,一到晚上直接归零。
那么,能不能让光伏永远不间断地发电呢?
1968年,美国科学家彼得·格拉泽发表了一篇论文,提出了一个脑洞:
把光伏板发射到太空上去!
好处很明显,太空没有大气层,阳光强度是地面的1.4倍,没有黑夜,地球遮挡很短,一天绝大部分时间都能被阳光照射。
算下来,同样面积的太阳能板,在太空中的发电效率,是地面的至少5到10倍!
这不就是又便宜、又稳定还清洁的无限能源吗?
NASA一看,这玩意儿好啊!正好当时有钱,于是就拉着美国能源部,搞了个“1979 SPS基准系统”研究。
这个计划的设想是,在太空中部署一块10公里长、5公里宽的光伏板,然后通过直径一千米的天线把电能发射回地球,计划向地面稳定提供5吉瓦的电力,相当于5个大型核反应堆。
不过,这个计划虽然理论上很完美,但工程上完全行不通。
首先是成本。那时候还没有低成本可回收火箭,50平方公里的光伏板重达上万吨,发射进太空要花几万亿美元。
其次是结构。要在太空里发电,光伏板必须时刻对准太阳,但是你还得把电传回地球,所以发射微波的天线,又必须时刻对准地球。
可问题在于,太阳、光伏板、地球,三者的相对位置是不断变化的。
这就意味着,这个几公里长的大家伙,必须有一个几十米直径的旋转关节,时刻调整角度,一边保证光伏板对准太阳,另一边保证微波天线对准地球。
这个关节不仅要承受几公里光伏板带来的力矩,还要传输几十万伏的超高压直流电,别说被太空陨石撞一下了,就算出个故障,都能让这个精密的家伙彻底烧毁。
所以最后NASA搞不定,就把这个计划给搁置了。
这一搁置,就是几十年。
不过,美国人搞不定,不代表中国人搞不定。
2014年,一个中国人站出来了:
西安电子科大老校长、中国工程院院士,段宝岩。
这个名字你可能没听过,但中国天眼FAST球面射电望远镜你总听过吧?
很多人可能想不明白,FAST的球面镜是固定的,而地球是运动的,怎么保证球面镜始终对准某颗星星呢?
段宝岩解决的就是这个问题,他用6根钢索吊了一个馈源舱,球面镜不动,但馈源舱可以动!
只要通过调节钢索长度,不就能让馈源舱在球面上方灵活游走了?
需要观测某个星星的时候,只需要微调球面镜数千块面板的倾角,在球面中临时形成一块抛物面,然后把馈源舱运动到抛物面的焦点位置,不就能接收信号了?
而且,随着地球自转,面板倾角和馈源舱也会跟着动,这样一来,不就能稳定跟踪某颗星星了?
这个天才的解决方案,就是段宝岩搞出来的。
既然地面可以这么搞,太空是不是也可以呢?既然1979SPS基准系统的旋转关节太复杂,那能不能不要旋转关节呢?
这就是段宝岩的全新架构——OMEGA。
这个架构,可以简单理解为一个射到太空的FAST望远镜,特殊透光材质薄膜组成球面,通过球面,可以把阳光汇聚起来。
不管太阳在哪个方向只要阳光照进这个球面,都会在内部反射,最终汇聚成一条线。
然后在这条线上,放一个“线状的馈源”(你可以理解为一根长条形的光伏板),用来吸收汇聚的阳光。
在这个设计里,球形聚光镜是不用动的,只有里面那根“线状馈源”需要根据太阳的位置,在球体内部做小范围的移动。
这样一来,不仅工程难度大大降低,而且通过聚光,光伏板的面积大幅缩小,整个太空电站的重量只有NASA方案的四分之一,发射成本随之大大降低。
太空发的电,又怎么传回地球呢?
这个倒没什么别的选择,还是微波最合适。
具体原理是这样的:太阳光照在光伏板上变成直流电→直流电输入磁控管变成高频微波→微波通过天线发射出去→地面上的接收天线接收到微波→再变回直流电并入电网。
看起来很完美,但问题也不是不存在:
微波也是电磁波,它是会发散的。
就像你用手电筒照墙,离得越远,光斑越大,也越暗。
如果在3.6万公里的太空,你用一个普通的天线发射微波,等到了地球,微波早就散布不知道哪去了,能量密度趋近于0。
那怎么办呢?
答案是:相控阵技术。
这个词军迷一定很熟,咱们的歼-20雷达、055大驱的雷达,用的都是相控阵。
相控阵不是一个大天线,而是由成千上万,甚至上百万个小天线组成的阵列,然后用精密算法,控制每一个小天线发射微波的“相位”(时间差)。
当这百万个微波信号在空间中叠加时,它们会互相干涉,把向四周发散的能量全部抵消掉,只在正前方形成一道笔直的能量波束。
为了方便大家理解,我们举个例子。
如果你在太空用一个巨大的探照灯往下照,是不是光束会散得很大?
但如果把探照灯的电力点亮1万个激光笔,往同一个点上照,是不是散布就很小了?
理论上行得通,实际上如何呢?搞一个试试吧。
如果你去西电,你会发现学校里有一个75米的铁塔非常显眼,那就是微缩版的OMEGA系统。
他们在塔顶装了聚光系统、光电转换器和微波发射天线,在地面装了接收用的整流天线。
2022年,系统成功验收。
4组半球形聚光反射镜,模拟太空收集太阳光,汇聚到中心光伏阵列完成光电转换,然后通过微波转换装置转化成微波,定向射向地面的接收器,然后地面的接收器亮起,电流稳定输出。
虽然距离只有55米,虽然功率只有几百瓦,但这是人类历史上,第一个实现全链路、全系统微波无线传能的真实工程。
它证明了一件事:这套系统,是走得通的!
2026年,这套系统又实现了百米千瓦级传输,而且实现了静对动无线输电,无人机在30米距离上成功接收了电力。
逐日工程最基础的技术,已经验证成功!
有人这时候可能要问了,地面上这么玩没问题,可在太空向地球发射微波,安不安全呢?
微波炉大家都用过,但谁也不想进微波炉啊!万一天线要是发射偏了,射到城市里,几十万人是不是瞬间就熟了?
其实吧,这完全是想多了。
微波不是激光,哪怕我们用了相控阵技术,发射到地面上,散射面积也是很大的。
一个吉瓦级的太空电站,地面接收阵列的直径可能要达到两到三公里。
能量被分摊到这么大的面积上,它的中心能量密度,大约只有250瓦/㎡,而家用微波炉的功率密度,动辄都是上万瓦/㎡。
别说人没感觉了,就算鸟飞过去,也不受影响。
而且,地面的接收天线可以做成网状结构,有90%以上的透光率。
天线下面,该种地种地,该放羊放羊,完全不影响生态。
至于打偏的问题,也不用担心。
逐日计划不会盲目地向下发射,而是地面的接收站先向太空发射导引信号,太空电站接收到这个信号,锁定了位置,才会顺着这个引导方向把能量发射下来。
一旦导引信号没了,太空电站会瞬间停止发射。
所以,安全性是完全不用担心的。
好了,剩下的问题,就是把整个系统送入太空了。
前面说了,美国人的SPS基准系统要上万吨,别说当年了,就算现在也运不起。
除非,火箭不要钱,或者我们不把这玩意儿当成一个“航天器”来造。
这就要说到刚刚割了一波韭菜的SpaceX了。
SpaceX为啥能割到韭菜?不就是因为它的火箭可回收技术号称天下第一吗?
现在星舰还不成熟,等星舰成熟了,一公斤的发射成本可能要降到100-200美元。
中国这边呢?
我们的可重复使用火箭也在密集测试,长征十号乙、长征十二号甲,还有各种民间商业航天的回收实验一个接一个,就差临门一脚了。
十年内,我们的白菜价太空物流,一定会成型!
但光有物流还不够,因为火箭的整流罩尺寸是有限制的,那么大的结构件肯定塞不下,必须拆分运上去,那在太空里怎么组装?
让宇航员靠上去打螺丝吗?风险太大了!
没关系,这个人家早就想到了,逐日工程的路线图中,公布了一项技术:机器人在轨组装。
目前,逐日工程团队规划了两类在轨作业机器人。
一种是桁架附着爬行机器人,负责光伏阵列、聚光镜、微波天线桁架的拼接、锁扣、线缆对接。
另一种就厉害了,太空自由飞行小型机器人,负责模块转运、故障模块替换、在轨巡检,整套系统不需要航天员出舱,全程无人自主协同组装。
好家伙,中国这是要在太空建三峡的节奏啊!
根据目前已经公布的路线图,2028年左右,中国将在低轨进行首次太空到地面的无线传能试验。
2030年,要实现兆瓦级的空间太阳能电站,开展并网发电。
而到了2050年,我们将建成吉瓦级的商业化太空太阳能电站。
也就是说,未来二十年内,我们可能就会进入无限能源时代!
2
有人可能会问,核聚变电站不是快要商用了吗?既然如此,为啥还要花那么多钱去搞太空电站?
答案很简单,因为能源的获取方式,不仅决定一个国家的国运,更决定了人类文明的发展程度。
过去一百年,人类打仗死了上亿人,目的无非也就是抢地盘、抢石油。
因为石油埋在地下,谁占了那块地,谁就是世界的老大。
美国人就是靠着满世界建军事基地,才确立了不可动摇的霸权。
而中国作为一个制造业大国,每年进口海量的原油,这就相当于有一根绞索一直挂在我们的脖子上。
但是,如果太空电站建成了,整个世界的运转逻辑就彻底颠覆了。
- 这是真正的无限能源。
太阳的寿命还有几十亿年,太空电站全天候发电,不需要一点一点挖煤,一船一船运石油。
这样一来,能源的获取,就从天然资源变成了技术资源,谁有技术,谁就有资源。
美国也启动了太空电站计划 ALPHA
第二,这是绝不会被卡脖子的能量运输。
今年的霍尔木兹海峡危机,咱们都看到了,海峡一开一关,全世界都跟着鸡飞狗跳。
但是,如果我们把太空电站建成了呢?是不是想往哪送电就往哪送电了?
如果南方遭遇超级冰雪灾害,电网全部压塌,我们不再需要上万电网工人冒死抢修基塔,只需要一个指令,太空电站微调相位,几百兆瓦的微波直接跨越云层,打在灾区的应急接收车上。
一秒钟内,整座城市的医院、通讯、供暖全部恢复。
如果我们的脑洞大一点,在偏远的海岛、茫茫的戈壁甚至海上的货轮,只要展开一张接收网,天上的电就能源源不断地送下来,这是多么令人激动的场面?
这就意味着,能源供给和电缆彻底解绑了。
甚至,未来的电动汽车、无人机,都不需要装大电池了。
无人机只要在天上飞,太空电站就能实时给它充电,让它拥有无限续航,再配上中国星网,那随便一架无人机,也可以“打击范围覆盖全球”了!
《三体》里有这么个情节。
罗辑在未来苏醒后,看到护士手里的电热杯不用插线、没有电池,产生了疑问:
“那这杯子里的电从哪儿来?”
护士不以为然:“电?到处都有电啊。”
为什么到处都有电?
就是因为在未来,整个城市就在一个放大的“微波炉”里面,城市范围内所有电器、飞车、设备,靠共振线圈就能直接取电。
这不是什么新技术,过去没普及只是因为能量损耗大,大部分微波能量散在空中浪费掉,能源成本扛不住。
但如果我们实现了太空发电,能源几乎无限,传输损耗就可以忽略不计了。
所以,当中国在赤道上空部署几十个吉瓦级的太空太阳能电站时,将真正迎来能源自由。
我们不仅可以自己用,还可以把电卖给“一带一路”国家。
不用成本浩大地搞特高压,只需要铺开一个几公里的接收网,我就能用微波把电给你打过去。
你要是用人民币结算,我还能给你打个八折呢。
到那个时候,谁还去买那些随时可能被油价波动割韭菜的石油?石油没人要了,美元还会有人要吗?
更关键的在于,改变能源获取方式,还代表着人类文明进步的方向。
1964年,苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了一个理论,也就是著名的“卡尔达舍夫等级”。
他把文明分为三级:
I型文明:能够掌握并利用其母星及周围卫星的全部能量;
Ⅱ型文明:能够掌握并利用其恒星(比如太阳)的全部能量;
Ⅲ型文明:能够掌握并利用整个星系的全部能量。
按照这个标准,地球文明是几级?
大概只有0.73级。
你看,我们人类折腾了几万年,连I型文明还没达到呢!
为啥?因为我们获取的能量绝大部分都来自地球本身,来自太阳的都微乎其微。
而与文明等级理论相对应的,是“大过滤器”理论。
为什么宇宙这么大,我们却连一个外星人也没看到?
因为在文明从0级向I级跃迁的路上,存在一个过滤器。
当一个文明的能源快要耗尽,而新技术(比如可控核聚变、戴森球)又迟迟点不亮的时候,这个文明就会陷入停滞。
停滞,意味着增量消失。
没有增量,社会就会转向存量厮杀,大家会在母星上为了最后一点资源疯狂内卷,最终在自我毁灭的核战争或者生态崩溃中死去。
马斯克就是大过滤器理论的忠实信奉者,所以拼命推进火星计划,想让人类在灭亡前,能乘坐星舰逃去火星。
咋说呢?这还是西方人的“方舟思维”。
但中国给出的答案,截然不同。
我们老祖宗精卫填海、后羿射日的血脉基因,让我们鄙视逃避,选择逆天而行。
既然地球上的资源不够,我们为啥不能把太阳能电站送进太空?
物理学家弗里曼·戴森曾经设想过,高级文明最终会用一个巨大的球形结构,把母星的恒星包裹起来,榨干它所有的能量,这就是著名的“戴森球”。
很多人觉得戴森球只是个疯狂脑洞。
但看看中国的逐日计划,不就是戴森球的雏形吗?区别只不过是戴森球是在太阳轨道,而逐日计划是地球轨道而已。
当然,相比戴森球,这种太阳能电站的效率还是太低了,但从它进入太空的那一刻起,人类文明就不再是0.73,而是被我们中国人生拉硬拽拖进I型文明的大门。
想象一下,当太空太阳能电站真正成网,能源变得廉价且唾手可得的时候,会发生什么?
人类不再需要为了生存资源而互相倾轧,人类作为一个整体,终于可能真正意义上团结在一起,把精力投向星辰大海,去解答生命、衰老、宇宙起源这些终极命题。
这才是真正的跨过大过滤器。
人类应该庆幸,文明的未来掌握在中国手中。
这不仅因为中国拥有世界上最庞大的工业体系,最有可能建成太空电站,更关键的在于,中国的文明基因,注定了中国人从来都不是海盗,而是建设者和生产者。
西方的逻辑是“发现一块空地,然后把所有东西都抢走”。
中国的逻辑是“发现一片空地,然后种菜”。
现在,我们又开始在太空种太阳了。
所以啊,文明的跃迁,从来都不是因为某一天突然降临了什么神迹。
而是因为在漫长的暗夜里,有一群不肯认命的中国人,试探着拔下了太阳的一根头发,由此点燃了人类进入星际文明的——
第一束篝火。