太空發(fā)電：激光無線傳播技術(shù)或可實(shí)現(xiàn)宇宙太陽能發(fā)電

網(wǎng)訊：空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)，顧名思義是指在宇宙空間進(jìn)行太陽能發(fā)電，把所發(fā)電力轉(zhuǎn)換成微波或激光以無線方式傳送至地面，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，空間太陽能發(fā)電的歷史悠久，可以追溯到1968年。最早由美國的航天工程師彼得·格拉澤（PeterGlaser）提出。無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。日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正在從事關(guān)于微波和激光作為無線傳播有缺點(diǎn)得課題研究：
 

　　微波無線能源傳輸技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　微波是指具有從1mm到1m間的短波長的電磁波。這種電磁波廣泛應(yīng)用于日常生活中的微波爐、手機(jī)和無線LAN，還有宇宙空間中的氣象衛(wèi)星、地球觀測衛(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)。

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

　　首先是波長短，與波長長的電波相比，相對(duì)不容易擴(kuò)散。從高度為3.6萬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長的電波，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。

　　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。用角度來說，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。

　　激光無線能源傳輸技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　使用激光的優(yōu)勢(shì)在于波長比微波更短，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。

　　實(shí)驗(yàn)人員還預(yù)定通過這項(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)空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究來說，將會(huì)是一個(gè)重要的里程碑。”