逐日工程：把天给占了

各位，话说现在想发电，就直接把电站装到天上，用太阳能！而且不只是装，还能无线传回来！这事儿听起来是不是有点像是科幻片里的桥段？不过，咱们中国可真是把这事儿给安排上了！最近，咱们的无线电力传输系统测试成功了，无人机边飞边充电，直接省去了插线和降落的步骤，靠传来的微波续命。当然，这仅仅是个开始，空间太阳能电站未来的路还很长。它的名字叫做“逐日工程”，听起来是不是有点浪漫？ 那么，咱们地表为啥还搞这个“逐日工程”呢？因为地表太阳能最大的问题是间歇性——晚上或者阴雨天就没法发电。啥？你问为什么还要搞？因为储能技术只能解决电网消纳的问题，不能提高光伏板的利用率。所以，聪明的科学家就想了个办法，直接到太空中截取太阳能。这好处显而易见，第一，没有大气层的干扰，能量密度高。地面每平米接收的太阳能大概136瓦，但到了太空，就是1360瓦，甚至还能更高。第二，电站部署在3.6万公里高的地球同步轨道上。离得远，地球影子几乎挡不住，所以99%以上的时间都能发电。所以，从物理的角度来看，这事儿肯定是划算的。 不过，这事儿说起来容易，做起来难。逐日工程有四大核心技术环节：收、变、传、接。每一个环节都需要克服巨大的技术难题。首先，如何“收”？太空不行打灰，建电站不能用钢筋水泥，聚光设施得轻。于是，中国科学家提出了Omega架构，也就是Orb-shaped membrane energy gathering array。简单来说，就是巨大的超轻球面聚光镜，把阳光汇聚到球芯附近的一条线上。这个设计比美国的Alpha架构更简单，更实用。 美国的思路是1968年就开始琢磨太空发电这事儿，但经过评估觉得太难太贵，就搁置了。一直到2011年NASA才更新方案，叫Alpha。这是一个庞大且精巧的系统，有几万面镜子对着太阳不断微调角度，走极致的轻量化与模块化。但是，算法协同这个复杂程度可想而知。美国政府也没有给NASA拨巨款，所以工程落地举步维艰，还停留在计算机建模和芯片单元测试等环节，甚至还不如加州理工的SSPP项目走的远。 而中国起步比较晚，21世纪才开始研究，但现在却走到了全系统地面实体闭环。除了国家对发展新能源的战略决心和资金支持外，最重要的原因是思路创新另辟蹊径。不去搞什么镜子转来转去，而是动态软件控制太难了。就做成固定的球面聚光器，都不用调节方向，太阳光任何角度射入球体，都自然汇聚在球芯附近的一条线上，在里面装一个机械运动的吸能轨就可以了。把让人头大的软件算法问题简化成我们最擅长的硬件和机电工程问题。正是这种务实的工程师思维，我们才率先完成了1.0阶段，叫定点全链路，和2.0阶段动态多目标等地面验证。在实体建造和技术上可以说是领先一整个身位。 那么，收集到阳光之后，第二步就是“变”。从太空到地面，有光转电、电转波、波转电，好几道转化。其中难点在于无线输电的全链路效率，如何降低损耗。逐日工程用的第三代半导体，氮化镓，做太空发射端的固态功率放大器，电阻小，所以浪费的热量就少。在地面接收端的整流二极管开关速度快，能够精确捕捉微波振荡，把更多的微波还原成电能。开头我提到的重大进展之一，就是在百米级的距离上，同时向多个移动目标实现了千瓦级的微波无线传能。直流到直流的全链路传输效率大幅提高到了20.8%，也就是五分之一的原始电能可以成功传输并转换回可用的电力，属于是国际最高的水平了。 第四步是“传”，从36000公里之外射微波下来。怎么保证射中地面的接收站？方法是双向奔赴，先从地面对着太空发导引信号，太空实时算出接收站的位置。然后发射端用的是有源相控阵天线，就像无数个微型发射单元根据地面的反馈调整自己发波的时间，让无数个微波的步调按特定的方向撞在一起，激发出最强的能量，精准砸向地面接收站。最新的波束收集效率高达88%。 最后一步是“接”，未来地面可能部署天线阵列组成的超级综合体，去捕捉微波变回电能，整流逆变生压入网。虽然这还是很久以后的远景，但突然想到，很多网友开玩笑说我们张院长的赛道是未来史学，还真是。他经常讲政治秩序和能源利用的关系，比如说英美是跟着煤炭石油而崛起的，而现在中国正在进行史无前例的新能源跃迁。其实人类学家莱斯利·怀特和天文学家卡尔达舍夫都讲过类似的道理，就是文明的演进或者先进程度，不看文化政治或者道德水平，而取决于人均支配能量的多少。 从技术的角度来看，人类文明就是一场不断提升能量密度，去支撑更大规模、更高复杂度的社会组织的进化游戏。科学家卡尔萨根曾经计算过人类文明得分大概是0.7左右，属于受母星束缚的零型文明，只能被动等待阳光穿过大气层，然后衰减之后落到地表，再加以利用。逐日工程的本质就是尝试打破行星的边界，主动到太空截留恒星能量，向行星级的一型文明跨越。我希望带领人类迈出这一步的是中国的科学家和工程师。