【對話】

第二十七屆中國科協(xié)年會(huì)正在進(jìn)行中。我們特別策劃對話系列，與參會(huì)的科技工作者深度交流，聚焦那些長期深入一線的科技工作者。在空間太陽能電站創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用專題論壇期間，我們對話了粉末冶金和先進(jìn)陶瓷專家葛昌純，講述他在空間太陽能電站領(lǐng)域的深入思考與戰(zhàn)略布局。

【人物簡介】

葛昌純粉末冶金和先進(jìn)陶瓷專家，長期從事材料科學(xué)研究。中國科學(xué)院院士。

“解決人類未來能源危機(jī)的兩條最有效途徑中，核聚變一直被寄予厚望，但其技術(shù)難度極高，實(shí)現(xiàn)之路充滿挑戰(zhàn)；相比之下，空間太陽能發(fā)電則是一項(xiàng)真正‘看得見、摸得著’的未來能源解決方案?！?/p>

近日，在中國宇航學(xué)會(huì)、中國可再生能源學(xué)會(huì)聯(lián)合承辦的第二十七屆中國科協(xié)年會(huì)“空間太陽能電站創(chuàng)新技術(shù)與應(yīng)用”專題論壇上，中國科學(xué)院院士葛昌純表示。早在2014年，他便提出要“向空間要電力”的設(shè)想，呼吁將空間太陽能發(fā)電作為我國能源安全與可持續(xù)發(fā)展的重要突破口。11年過去，這一設(shè)想正在逐步走向現(xiàn)實(shí)。

葛昌純表示，我國發(fā)展空間太陽能電站的緊迫性正在不斷提升，雖然近年來已在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面取得重要進(jìn)展，但與國際先進(jìn)水平相比仍存在短板，因此亟需國家層面的持續(xù)支持與布局，加速突破瓶頸，從而在未來能源布局中占據(jù)主動(dòng)。

發(fā)展空間太陽能電站需求緊迫

空間太陽能電站是指在宇宙空間將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過微波或激光等方式將能量傳輸?shù)降孛娴碾娏ο到y(tǒng)。自上個(gè)世紀(jì)60年代由美國工程師Peter Glaser提出以來，其受到國際廣泛重視并被持續(xù)研究。

在葛昌純看來，發(fā)展建立我國的空間太陽能電站具有緊迫性。首先，太空中的太陽能強(qiáng)度是地面的10到15倍，可以提供連續(xù)穩(wěn)定的清潔能源，空間太陽能電站作為一種可持續(xù)、穩(wěn)定的清潔能源供應(yīng)方式，能夠有效緩解我國對傳統(tǒng)化石能源的依賴，減少碳排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。同時(shí)，空間太陽能電站的發(fā)展將帶動(dòng)航天、材料、能源等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)突破，提升我國在國際航天領(lǐng)域的競爭力。

2008年，我國空間太陽能電站研究正式被納入國家先期研究規(guī)劃。經(jīng)過十幾年的自主創(chuàng)新研究，已在一些關(guān)鍵領(lǐng)域取得了階段性成果，不僅構(gòu)建出了完整“材料-傳輸-控制”技術(shù)鏈，還在超輕光伏材料、熱控材料、高效微波轉(zhuǎn)換、在軌機(jī)器人裝配、波束控制精度及接收場安全等技術(shù)上均有所突破。

然而，他清醒地指出，當(dāng)前進(jìn)展仍低于預(yù)期，且與國際領(lǐng)先水平存在明顯差距?！拔覀冊谝恍┲笜?biāo)上差距正在縮小，但在技術(shù)普及性和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合上，遠(yuǎn)不如美國和日本?！备鸩兓貞浀?，美國相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議開放程度高，鼓勵(lì)包括學(xué)生在內(nèi)的廣泛創(chuàng)新參與；日本則更注重研究與企業(yè)應(yīng)用的緊密結(jié)合。

與此同時(shí)，國際上空間太陽能電站的研究競爭日益激烈。美國計(jì)劃在2025年前開展關(guān)鍵技術(shù)空間驗(yàn)證，日本也已將空間太陽能發(fā)電列入國家發(fā)展計(jì)劃，提出了2050年前建設(shè)商業(yè)空間太陽能電站的發(fā)展路線圖。兩國及歐洲一些國家和地區(qū)已經(jīng)在該領(lǐng)域投入了數(shù)十億美元，并積極著手布局相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)鏈。

相比之下，我國在一些關(guān)鍵領(lǐng)域仍存在明顯差距。例如，我國發(fā)射成本約為每磅2000美元，比美國SpaceX高出近40%，制約了大規(guī)模在軌部署的可行性；我國在軌維護(hù)技術(shù)仍處于地面驗(yàn)證階段，而美國已開展機(jī)器人自主維修試驗(yàn)；我國關(guān)鍵材料的使用壽命與日、美相比差距超過50%，直接影響電站的長期運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。

葛昌純指出，面對激烈的國際競爭，我國必須加快步伐。若不能及時(shí)突破核心技術(shù)、提升工程化能力，將面臨關(guān)鍵技術(shù)被壟斷、標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和市場空間被擠壓、空間資源開發(fā)話語權(quán)被削弱的風(fēng)險(xiǎn)，甚至影響國家能源的長遠(yuǎn)安全。

現(xiàn)實(shí)瓶頸仍需突破

受限于我國在空間太陽能電站領(lǐng)域起步較晚，葛昌純指出，相關(guān)核心技術(shù)方面仍存在諸多瓶頸，需要加大攻關(guān)力度。

首先，在空間超大型結(jié)構(gòu)建造方面，未來的商業(yè)級空間太陽能電站重量可能達(dá)到萬噸級，遠(yuǎn)超我國目前最大航天器僅百噸級的規(guī)模。要在軌建造如此龐大的結(jié)構(gòu)，必須加大力度研發(fā)碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、超輕結(jié)構(gòu)材料、熱防護(hù)材料等新型材料，以及自適應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)空間建造能力的突破。

同時(shí)，在大功率無線傳輸技術(shù)方面，空間太陽能電站要求微波或激光傳輸效率從目前不足50%提升至60%以上，并需提高波束控制精度與安全性，這同樣依賴于關(guān)鍵材料與核心器件研發(fā)制備技術(shù)的突破。此前，西安電子科技大學(xué)成功構(gòu)建了世界首個(gè)全鏈路地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其微波傳輸效率與控制精度已達(dá)到國際先進(jìn)水平，為該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要示范。

此外，太空碎片對空間太陽能電站的影響不容忽視。因此，在推進(jìn)空間太陽能發(fā)電的同時(shí)，也必須高度重視太空碎片的監(jiān)測、預(yù)警與防護(hù)，這是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要前提。

除技術(shù)瓶頸外，葛昌純補(bǔ)充談到，我國在大規(guī)模應(yīng)用中的技術(shù)集成與實(shí)際驗(yàn)證方面仍不成熟。對此，可采取“模塊化”方式，先建設(shè)小型空間太陽能發(fā)電站，再逐步拼接為大型系統(tǒng)，這種方式更具靈活性，也更便于驗(yàn)證與推廣。

國家力量是破局之道

在葛昌純看來，我國計(jì)劃在2030年前完成百萬瓦級空間太陽能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并預(yù)計(jì)到2050年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的目標(biāo)是穩(wěn)妥且可行的。然而，要實(shí)現(xiàn)這一在國際空間太陽能發(fā)電領(lǐng)域的“首個(gè)領(lǐng)跑”，還需直面一些困境。

目前，我國在空間太陽能發(fā)電領(lǐng)域的投入較為分散，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和集中支持，主要依靠高校和科研單位的自發(fā)推動(dòng)。盡管這些力量充滿熱情，但終究難以支撐如此龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。相比之下，美國、日本和英國等通過國家級計(jì)劃推進(jìn)相關(guān)研究，投入動(dòng)輒上億美元，有些軍事相關(guān)的項(xiàng)目甚至涉及大量未公開資金。

因此，要想“破局”，實(shí)現(xiàn)“首個(gè)領(lǐng)跑”的目標(biāo)，葛昌純建議，應(yīng)建立起一套完善的國家戰(zhàn)略體系，使國家從政策機(jī)制、資金投入和國際合作三個(gè)方面發(fā)揮主導(dǎo)作用：

首先，建議考慮將空間太陽能電站及其關(guān)鍵技術(shù)研究列為國家重大專項(xiàng)，并成立跨部門協(xié)調(diào)機(jī)制，統(tǒng)籌技術(shù)路線和發(fā)展方向，避免資源分散、重復(fù)投入。

其次，在資金方面，前期應(yīng)以財(cái)政資金為主，集中力量突破關(guān)鍵核心技術(shù)；待技術(shù)成熟度提高后，可引入“公共私營合作制”，吸引民營企業(yè)和商業(yè)航天公司參與，形成多元化的投入機(jī)制，提升工程落地的效率和可持續(xù)性。

同時(shí)，空間太陽能電站是全球共同關(guān)注的前沿方向，我國還應(yīng)加強(qiáng)國際合作，通過共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等方式，分擔(dān)研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，積極主動(dòng)參與并推動(dòng)太空能源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，提升國際話語權(quán)和技術(shù)主導(dǎo)權(quán)。

葛昌純強(qiáng)調(diào)，青年一代肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)我國邁向“航天強(qiáng)國”的使命，在工作中應(yīng)培養(yǎng)扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和跨學(xué)科的綜合能力，同時(shí)要注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，積極參與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和項(xiàng)目實(shí)踐，積累豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。此外，空間太陽能電站的建設(shè)是一個(gè)長期而艱巨的任務(wù)，要有堅(jiān)韌不拔的毅力和團(tuán)隊(duì)合作精神，共同推動(dòng)項(xiàng)目的進(jìn)展。

“我們要發(fā)揚(yáng)‘兩彈一星’精神，以十年磨一劍的定力攻克關(guān)鍵技術(shù)，讓中國旗幟率先閃耀在地球同步軌道的能源基地上?！备鸩冋f。

撰 稿：蒲雅杰 高雅麗

責(zé)　　編：劉洞天

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮