我国正在开发一个空间太阳能发电站,该空间站可以收集太阳能,并将其以微波束的形式发送到地球用于发电。中国科学家表示,他们利用一种以蝴蝶为灵感的实用解决方案,解决了在太空中产生强大能量束的重大挑战。
这个巨型基础设施有一个约1公里宽的碗状主体,碗的内表面被设计成面向太阳,由反射镜组成,它可以捕捉阳光并将其集中在发电机上,杆状发电机再将太阳能转化为电能。
根据这项名为OMEGA-2.0的计划,发电机将使用许多模仿“蝴蝶翅膀”形状和结构的大型轻质结构来散热。“翅膀”上有细小的静脉,里面有流动的液体,用于热交换。
过热一直是该项目让工程师们最头疼的问题之一,但根据他们的计算,仿生结构可以有效地将流体携带的热量辐射到太空,并将发电机的温度降低近一半,降至50多摄氏度。
中国空间太阳能发电厂项目的首席科学家段宝岩在同行评审期刊《中国科学技术》上的一篇论文中说,“这是一个创新的设计”。他表示,蝴蝶翼结构不仅最大限度地提高了辐射散热面积,而且达成了最轻的质量”。
2017年,段的团队提出了最初的OMEGA计划——向地球发送超过3万公里的能量。该设计的特点是“全球形结构”,整个装置就像一个球,阳光会穿过球的半透明薄膜,到达里面的发电机。
根据计算机模拟估计,OMEGA发电站每公斤重量可以产生8.4千瓦的电力。段的团队表示,这比任何其他空间太阳能发电站的设计都更有效。
然而,球体结构也带来了巨大的工程挑战。例如,发电机可能会在球内积聚大量热量,从而影响一些关键部件的运行。另外,薄膜结构还需要一层特殊的涂层,可以让阳光进入,但要防止阳光出去。根据段的说法,开发一种新的涂层材料来满足该项目的要求是非常困难的。
不过,OMEGA-2.0设计中的碗状结构将发电机置于一个开放的空间,可以使用蝴蝶翼散热器,这意味着不需要添加特殊的涂层材料。
除此之外,OMEGA-2.0还采用了一些新的太空技术,它用一对更小的圆盘形天线取代了早期的巨型微波发射器,类似于预警机上的雷达。这些天线没有运动部件,但它们可以操纵微波并将能量束定向到几乎任何方向。
据段说,新的太阳能发电厂还将配备超高功率电力推进系统。上海正在开发兆瓦级离子推进器,预计将比火箭发动机消耗更少的燃料,并使空间站在它的位置保持很长一段时间。
我国计划在大约两年内进行首次空间对地能源传输实验。该实验将由一颗轨道卫星在远低于太阳能站的高度进行,以此来验证无线能源传输的关键技术。