宇宙太阳能发电系统能否实现？(中)

变化的发射天线面 　　微波是指具有从1mm到1m间的短波长的电磁波。这种电磁波广泛应用于日常生活中的微波炉、手机和无线LAN，还有宇宙空间中的气象卫星、地球观测卫星、通信卫星、广播电视卫星的通信等，其实就在身边，与我们的生活息息相关。并且，虽然不是微波方式，但通过电磁感应方式、磁共振方式无线传输能源的技术已经确立并投入了实用。例如为手机、纯电动汽车的蓄电池非接触充电的“无线供电”。但传输的距离有限。 　　那么，空间太阳能发电系统使用微波无线传输能源的优点是什么？ 　　首先是波长短，与波长长的电波相比，相对不容易扩散。从高度为3.6万km的地球静止轨道向接收天线传送能源时，需要的接收天线的面积小于波长长的电波，能够降低设备的建设成本。 　　其次是能够穿透云层。在下雨和阴天的时候，只要选择最佳的频率，就能几乎杜绝能源传输的损失。 　　但微波也存在缺点。即便是微波，随着距离的增加，电波的扩散也会增大。微波的扩散与发射天线的大小成反比。因此，为了尽可能缩小接收天线的直径，避免传输能源出现损耗，反而需要扩大发射天线的直径。 　　微波无线能源传输技术开发上最大的难题，是控制微波束的方向，使能源准确传送到接收天线。 　　上土井说：“激光也是如此，这是实现空间太阳能发电系统的一大课题。” 　　降低这个问题难度的一个办法是，把空间太阳能发电卫星送入高度为3.6万km的地球静止轨道。地球静止轨道是永远与地球上的1点保持相同角度的轨道。因从地面看上去如同静止一般而得名。如果从空间太阳能发电卫星向地球上固定的位置传送微波，地球静止轨道是最佳选择。 　　然而，发射天线的尺寸增大后，天线面会变形，在构造上无法完全保持平面，从而使微波束的方向发生错位。因此对微波束方向的控制就是必须的技术。 　　关于波束方向控制的困难程度，有这样一个比喻：如果接收天线的直径为几公里，从3.6万km高空的地球静止轨道瞄准天线，就像是从东京瞄准立在名古屋的直径约为9m的圆靶。用角度来说，微波束方向的偏差要控制在0.001度的范围之内，需要精度极高的方向控制技术。 　　为此，JAXA正在研发这样的微波相位控制技术：从接收天线向空间太阳能发电卫星发射用于引导的导频信号，高精度检测收到信号的方向，并向该方向发射微波束。 　　使用这种技术可以使微波束准确对准接收天线的方向。并且，若事先设定了使微波在引导用导频信号停止后不再汇聚，则即使出现意外情况导致微波的方向大幅偏离接收天线的位置，也可以保证安全性。此时，微波将呈现发散状，不汇聚成束。 　　除此之外，JAXA还在考虑并用可修正发射天线模块之间的位置、方向偏差的相位控制，以使地面的接收功率达到最大。 空间太阳能发电系统的概要 　　“烤鸟问题”要不要紧？ 　　另一方面，大家或许会好奇，空间太阳能发电卫星发射的微波如果直接击中天上的飞机和飞禽，会不会出现危害？ 　　上土井解释说：“这就是‘烤鸟问题’，即人们担心的穿越微波束的鸟会不会烤熟而落到地上的问题。对于实用系统，我们计划把发射到地面的微波的能量密度控制在与阳光的能量密度相同的水平，不会对飞机和飞禽造成影响。” 　　但按照国际标准，人体允许的微波辐射水平为每m210W。因此，设置接收设备的区域需禁止人员进入。 　　JAXA预定与（财）宇宙系统开发利用推进机构（简称：J-spacesystems）合作，于2014年度之前，在地面上设置间距约为50m的发射装置和接收装置，开展从发射装置发射1.6kW左右的微波，控制微波束的方向，使其抵达接收装置并转换成电力的实验，目前正在进行相关准备。 　　上土井说：“日本和美国过去也曾经开展过发射微波并转换成电力的实验。但使用半导体生成功率高达1.6kW的微波束，高精度控制方向传送能源的实验在全世界尚属首次，这是实现空间太阳能发电系统必不可少的一步。微波无线能源传送技术是日本领先的技术，我们一定要令其成功。” 　　2014年将成为里程碑 　　接下来看第二项基础技术“激光无线能源传输技术”。 　　使用激光的优势在于波长比微波更短，与微波相比，收发装置可以实现小型化。因为波长越短，波束就可越细，所以可以缩小发射天线与接收天线的直径。因此能够大幅削减建设成本。 　　但激光的弱点是会在云、雨、空气、灰尘的作用下急剧衰减。能源传输送时的损失大于微波。 　　而且对于波束方向控制精度的要求比微波高100倍左右。如果说微波是从东京瞄准名古屋的直径约为9m的靶子，那么，激光瞄准的则是直径约为9cm的靶子。而且，与微波相比，激光的波束越细，能量集中的面积越小。因此，接收装置附近需要更加严格的安全管理。 　　现在，JAXA准备做以高精度的方向控制，从高度约为200m的塔上，向地面的接收装置传输500W功率激光的实验，目前正在进行准备。这项实验也计划在2014年度内实施。 　　上土井说：“我们还预定通过这项实验，确认大气湍流对于激光的影响等。在2014年度，微波、激光都将开展大型实验，对空间太阳能发电系统的研究来说，将会是一个重要的里程碑。”（未完待续 特约撰稿人：山田 久美，科学技术记者）