未來科技：太空光伏發電計劃

　　長年困擾日本的能源問題也許能夠從根本上得到解決。在宇宙空間發電并直接向地面輸送電能的系統將成為解決能源問題的殺手锏。在系統得以實現之前，無線供電等基礎技術已經在開花結果了。

　　日本政府2015年1月制定的“宇宙基本計劃”中，包含了一項要推進研發的“未來技術”。那就是使太陽能電池板漂浮在宇宙空間，將所發電力輸送到地面的“宇宙光伏發電系統”。

　　這項研究目前還面臨著許多有待解決的技術課題，目前預計的開發費用將超過1～2萬億日元。據稱最快2040年實現。雖然路途艱難，但實用化，就能改變整個世界的能源產業。

　　所謂宇宙光伏發電，是要在3.6萬公里高空的同步衛星軌道設置上專用衛星，在宇宙空間利用太陽能發電，再把電能轉換為電波，輸送到地球。最后在地面的受電基地再恢復成電能。

　　在沒有云層遮擋的宇宙空間，可以不間斷地穩定發電，因此與地面的光伏發電相比，發電效率約是后者的10倍。而且，向地面的受電基地定點供電的方式也具有較大的優勢。只要建設好受電基地，即便是深山、海上等交通不便的場所，也可以大量供應發電過程碳排放為零的清潔電力。

　　而且，在宇宙空間生產的無窮的電能，還可以從日本擁有的衛星，輸送給其他國家。讓沒有資源的日本轉型為能源出口國，也不再只是夢想了。

　　美國凍結計劃日本一馬當先

　　宇宙光伏發電的方案是在1968年由美國的PeterGlaser博士提出的。之后一直以美國宇航局(NASA)為中心推進研發。但現在，出于財政等原因，NASA的開發計劃遭到了凍結。部分民營企業雖然也在繼續進行研究，但沒有取得突出的成果。

　　于是，從1980年代開始參與研發的日本沖到了領跑的位置。文部科學省等管轄的日本宇宙航空研發機構(JAXA)與經濟產業省下屬的宇宙系統開發利用推進機構合作，正在聯手開發基礎技術。

　　宇宙系統開發利用推進機構系統開發部擔當部長中村修治自豪地說：“還在繼續開展研發的國家只有日本。我們引領著世界。”宇宙光伏發電系統如上圖所示，大致分三個階段。

　　首先是設置在宇宙空間的衛星利用太陽能發電，將電能轉換成微波或者激光。這是第一階段。接下來是準確向地面輸送電波。最后利用地面的天線接收電波，重新復原成電能。

　　其中最大的課題是衛星。使用過去研發的主流——微波作為供電方式時，設置在宇宙空間的發電衛星的成本非常高昂。

　　利用宇宙太陽能生產1座核電站的發電量，即100萬千瓦，必須在宇宙空間內，鋪設約2公里見方的太陽能電池。如果達不到這樣的面積，從宇宙空間到地面，在3.6萬公里的供電過程中，電波將會擴散。使用上面提到的太陽能電池時，在地面上也需要設置直徑約為4公里的受電天線。

　　由于需要的衛星體型巨大，發射成本自然也是巨大。

　　以發電量為100萬千瓦計算，資材的重量約為1.5萬噸。即使每次能夠發射50噸，也要發射300次。因此，資材的運輸不能使用一次性火箭，必須將航天飛機等可以重復使用的太空飛機實用化。在此前提下估算，整體的成本至少需要1～2萬億日元以上，“考慮到利潤，以現在的技術還難以實現”(JAXA工作人員)。

　　供電方式不只是手機等使用的微波。JAXA還考慮采用波長僅為微波約5萬分之1的激光。

　　微波可以不受天氣影響進行供電，但如上所述，微波存在導致負責供電的衛星和負責受電的天線大型化的問題。另一方面，激光雖然能實現裝置的小型化，但容易受到云和雨的遮擋，無法充分發揮宇宙太陽能的優勢。而且，如果天線受電不準確，還有可能危害人體健康。二者都各有長短。

　　除此之外，包括如何確保設置受電天線的大片用地、如何取得宇宙光伏發電使用的電波波段在內，課題還有很多。

　　考慮到這些情況，美國決定凍結計劃。那么，日本為什么還在堅持研究呢?

　　這從2015年3月在兵庫縣內進行的驗證實驗可以一探究竟。

　　JAXA、推進機構、三菱電機等，開展了將電能轉換成微波，向54m開外的受電天線發送的實驗，得到的電能超過了預期。

　　54m與3.6萬公里似乎相去甚遠，但推進機構的中村說：“只要建立起根據受電部的天線發出的信號，準確輸送電波的技術，就能提高轉換效率，延長傳輸距離。”

　　向無人機無線供電

　　微波供電和受電天線——奠定宇宙光伏發電基礎的這兩項基礎技術，還可以應用于其他領域。

　　比如說，無人機充電一次可飛行幾十分鐘左右。目前還需要在斷電前返回地面的充電基地，而使用微波無線供電的話，就可以持續飛行。

　　福島第一核電站的報廢作業、橋梁和高速公路等基礎設施的檢查等，無人機的活用范圍將飛躍式擴大。甚至可能出現自動為特定區域內的手機充電的服務等。

　　通過推進宏偉的宇宙太陽能計劃，加快必要的基礎技術的革新速度，從而回饋社會——出于這樣的目的，日本政府決定繼續實施計劃。

　　其效果還帶動了其他技術。開發發電衛星配備的玻璃鏡的日本電氣硝子以宇宙太陽能為契機，拓展了業務范圍。

　　日本電氣硝子于2010年，應JAXA“制造1m2重100g的玻璃鏡”的要求，著手對玻璃進行輕量化。在2014年成功開發出了世界最薄、約為0.03mm的玻璃。為得到手機等產品的采用，該公司正致力于生產的穩定化。回顧當時，執行董事薄膜業務部長金井敏正說：“宇宙太陽能計劃推動了技術革新。”

　　雖然成本、技術等課題還為數眾多。但放棄宇宙光伏發電還為時尚早。

　　宇宙系統開發利用推進機構等為實現小型發電系統，已經行動了起來。他們沒有一次性建設巨型設備，而是要發射多顆小型衛星。計劃通過連接衛星，慢慢擴大規模，借此降低成本。

　　能源問題是人類永遠的課題。作為引領人類從根本上解決這一課題的夢幻技術，宇宙光伏發電肩負著重望。