在全球能源短缺和環保壓力日益增加的背景下，中國科學家提出了一種突破性的空間太陽能電站設計方案，有望成為人類未來重要的能源來源。
瀋陽航空航天大學楊靖宇研究團隊日前在學術期刊《中國空間科學技術》上披露了其最新研究成果。這項被命名為"SSPS-CMCA"（圓柱形模組化空間太陽能電站）的設計，透過全面分析現有太陽能電站技術，整合各國方案優點，提出了一種高可行性、高擴充套件性的工程解決方案。
空間太陽能電站（SSPS）概念最早由美國科學家Peter Glaser博士提出，它透過在太空中收集太陽能，轉化為電能後以微波形式傳輸至地面，可以24小時不間斷地為地球提供清潔能源。
然而半個多世紀過去了，這一宏偉設想仍停留在概念階段。研究人員發現，現有的大多數SSPS設計方案雖然在理論上可行，但缺乏全面性考慮，並且由於體積重量巨大，在實際工程中難以實現。
瀋陽航空航天大學研究團隊透過對美國、日本、歐洲和中國現有的SSPS方案進行全面評估，分析了各方案在外形配置、聚光性、姿態控制、振動控制等關鍵技術指標上的可行性。
經過分析，最終確定了結合所有優勢特點的最佳方案組合，研究團隊表示，該組合"幾乎結合了現有所有方案的優點，且在技術上不需要跨時代的突破。"
SSPS-CMCA方案最大的特點是採用了模組化設計，將大型系統拆解為多個可獨立執行的發電子衛星、微波傳輸子衛星系統。這種設計大幅降低了建造難度，同時提高了系統的可靠性和可維修性。
傳統SSPS方案面臨的最大挑戰之一是姿態控制問題。太陽能電池板需要對準太陽以收集能量，而微波傳輸天線則需要對準地球。這兩個方向通常不一致，導致衛星需要頻繁調整姿態。
SSPS-CMCA方案透過創新性地採用圓柱形聚光設計，巧妙地解決了這一問題。研究人員在系統外側佈置了環形超表面材料陣列，這種特殊材料能將任意角度入射的太陽光轉向垂直於表面的方向，使光線匯聚到內圈的光伏發電板上。
這種設計徹底消除了對日定向控制的需求，同時，用於傳輸電能的相控天線陣列可以透過軟體進行角度控制，從而實現極快的角度切換和對地定向，並減少了對衛星姿態控制的需求。
在熱控方面，研究團隊提出了一種基於全譜選擇性薄膜的光子冷卻器，可以有效抑制太陽能電池陣的溫度上升，保障系統的穩定執行。
與以往的概念性研究不同，SSPS-CMCA方案提供了從地面實驗到太空建設的全流程工程實施方案。
研究人員設計了三階段發展路線：首先進行地面技術驗證，建造尺寸較小的原型系統；其次在低地球軌道部署小功率實驗衛星；最後在地球同步軌道建造大功率SSPS系統。
"模組化的設計極大地降低了工程實施和測試的難度，"研究團隊指出，"測試時僅需製造兩個發電子衛星和一個微波傳能子衛星，即可完成所有的地面實驗。"
SSPS-CMCA的價值不僅限於能源領域。研究人員指出，其模組化設計使其具有極佳的擴充套件性，可以發展為下一代國際空間站、太空補給站或空間科研平臺。
"核心艙除了滿足基本的發電功能外，還剩餘大量的內部空間，可以搭載其他裝置作為空間站使用，"研究人員解釋，"對於深空探測等任務，還可透過其進行遠端電力供應。"
據研究論文詳細介紹，SSPS-CMCA的總體結構包括髮電子衛星和微波傳輸子衛星兩大部分。發電子衛星由圓柱形核心艙、光伏發電陣列、環形聚光陣列以及整體桁架組成。其中圓柱形核心艙採用標準化的模組設計，兩端可進行對接，便於航天器在太空中組裝。光伏發電陣列貼裝於圓柱形核心艙側面，透過一定的串並組合連線到電源總線上。
微波傳輸子衛星的設計同樣精巧，包括與發電子衛星相同的圓柱形核心艙、相控天線陣列以及方形桁架。相控天線陣列是該系統的關鍵部件，它能透過軟體實現極快的角度切換和對地定向，大大減少了傳統系統對衛星姿態控制的嚴格要求。
研究團隊在功率和尺寸設計方面做了詳盡計算。整個系統的投影面積約為4平方公里，其中單個發電子衛星對應的地面接收功率為0.25吉瓦，外圈圓柱直徑為1公里，高度同樣為1公里。微波傳能子衛星的面陣長為800米，高為750米，寬約600米。系統採用5.8GHz頻段的微波傳輸技術，對應的地面接收陣列設計為長3.2公里、寬3公里的長方形陣列。
為了解決SSPS在軌道上的控制問題，研究人員提出了兩種解決方案：一是在核心艙的星載裝置中設定標準化的動量輪模組；二是採用電力推動發動機組裝於圓柱母線上。考慮到SSPS-CMCA的龐大體積，研究者設計了分組發射、太空組裝的實施方案，即先將各模組發射至低地球軌道完成組裝，再透過專門的動力艙將整體系統送至地球同步軌道。
雖然SSPS-CMCA方案在可行性上有了顯著提升，但從概念到實際執行，仍面臨不少挑戰。巨型結構的太空建造、高效率的無線能量傳輸、大規模元件的可靠性等問題，都需要進一步研究和突破。
不過，隨著各國航天技術的快速發展和對可再生能源需求的不斷增長，空間太陽能電站正逐漸從科幻走向現實。中國、美國、日本和歐洲都在加速相關研究，希望在這一潛在的能源革命中佔據先機。
專家認為，SSPS-CMCA方案為空間太陽能電站的實際工程建設提供了一條切實可行的路徑。如果這一技術能夠成功實現，將從根本上改變人類的能源格局，為解決地球能源短缺和環境汙染問題開闢新的可能。
研究人員表示："我們的設計方案與現有的SSPS概念相比，具有較高的應用可行性、使用效能和擴充套件性，對實際的SSPS建設工程有較好的參考意義"。同時，心智觀察所還發現，瀋陽航空航天大學在空間太陽能電站領域已經申報多項技術專利，楊靖宇團隊的主要研究方向也包括了空間太陽能電站能量傳輸系統智慧協同與控制。
活躍的中國研究力量讓我們有理由相信，這種革命性的能源系統有望在未來一個不長的時間內從概念變為現實，為人類可持續發展提供源源不斷的清潔能源，其對人類文明的意義，也將遠在星鏈之上。
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本文轉載自“心智觀察所”，原標題《中國科學家提出全新太空太陽能電站設計，有望根本解決全球能源問題》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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