开拓太阳能利用新疆界

张唯诚

太空中的卫星、飞船、空间站等航天器，多是由太阳能电池板提供能量的。比如“神舟”系列飞船入轨后，太阳能电池板像一双翅膀一样展开，保证飞船的正常飞行；“凤凰号”探测器登陆火星后，两扇太阳能电池板将为其为期三个月、但极有可能时间更长的探测活动提供充足的动力。当一艘航天器在地球附近活动时，它离太阳很近，阳光充足，这时使用太阳能是没有问题的。然而，当它飞得更远，远到接近甚至超越阳光照射的疆界之外，该如何利用太阳能呢?

一艘航天器的行程如果超越了火星，太阳可以提供的能量就十分有限了。“旅行者1号”的行程持续了30年，它几乎越过太阳系的所有行星来到了太阳系的边缘。在寒冷、黑暗、空寂的太空中，太阳的影响已经结束，从那里看太阳，太阳的亮度比我们从地球上看到的暗淡7000倍，仅仅相当于天空中一颗明亮的星星而已。由于太阳能电池已经无法使用了，“旅行者1号”的能源来自早期的放射性同位素热电式发电机。

1990年10月，“尤利西斯号”探测器被美国“发现号”航天飞机送入太空，它的任务是研究太阳的两极。为了更好地观测太阳，“尤利西斯号”必须飞临木星，在靠近木星的时候，太阳光变得极其微弱，只相当于地球附近的1/25。在这种情况下，太阳能电池板要想获取足够的能量便必须重达545千克，“尤利西斯号”的重量也因此要增加一倍，这将给舫天飞机的助推器增加极大的负担。“尤利西斯号”同样没有使用太阳能，而是依靠一台放射性同位素热电式发电机，它只有56千克。

国际空间站上的太阳能电池是多年以前的产品，它能将14％的阳光转变成电能，而现在的太阳能电池则可以是多带隙的，能将阳光中不同光谱中的光能转化成电能，其效率达到30％，使用这种太阳能电池，航天器可以飞得离太阳更远。据科学家计算，假若在距太阳1个天文单位(指地球到太阳的平均距离，约1.5亿千米)时，每平方米太阳能电池板所产生的电能为400瓦，那么超过木星后，要产生同样的电能，太阳能电池板就需要25平方米，而到达冥王星后，这个面积则要增加到近2000平方米。

航天科学家正在千方百计地延伸太阳的疆域，他们认为，只要想办法充分吸收阳光，最大限度地利用太阳能，航天器就能仅仅依靠阳光的驱使飞向更加遥远的太空。他们的方法包括研制更有效率的太阳能电池，使用激光，在月球和火星上安装太阳能装置等等。

今天，就航天器而言，所谓“太阳的疆域”大致可延伸到距太阳4个天文单位的地方，那里已经越过了火星(1.5个天文单位)的轨道，但离木星(5.2个天文单位)还有些距离，那里的阳光强度只相当于地球上阳光强度的1/16。不过使用最新的科技，科学家有望将太阳的疆域扩展到外太阳系。

未来的太阳能收集器可以使用一种先进的薄膜，让太阳能电池变得非常轻便，整个装置的面积可以做得非常大。不过同时它们也更容易成为太空尘粒攻击的目标，所以如何防范太空尘粒的攻击又成了一个新的挑战，科学家正在研制一种有自动修复功能的材料，例如一种聚合体材料，它的特殊本领是能像皮肤一样自动地愈合。这种以环氧树脂为主体的材料内部遍布着一个非常细微而又相互连通的网络管道系统，里面充满低黏性的愈合剂。当材料发生破损，管道中的愈合剂便会在毛细管作用的推动下实施渗透，一旦它们来到破损的地方，遇到环氧层中的催化剂粒子，破损处便开始聚合，破损的地方便自动愈合了。另一种自愈合材料是一种高聚物，当破损发生时，它的反应便是立即自动聚拢。这类材料虽然还处在研制阶段，但一旦技术成熟，它们的应用前景将十分可观。面积巨大的光电池板如果得到实际的应用，阳光的边界自然要向外延伸了。

1999年2月9日，“星尘号”彗星探测器发射升空，2004年1月2日，这颗探测器飞越维尔特二号彗星，这时它距太阳2.27个天文单位，在这样的距离使用太阳能在当时是一个新记录，然而它的太阳能电池系统工作得非常好，光电转换的效率超过了科学家的预计。另一颗引人注目的探测器是“深空一号”，它的能量来自一个先进的太阳能集电器，它由太阳能电池和一个聚焦阳光的镜片矩阵组成，720个镜片将阳光聚集在3600个太阳能电池上，23％的阳光被转化成了电能。“深空一号”使用离子引擎，在太阳能电池的驱动下，离子引擎全速运转一天，“深空一号”的速度就增加25～32千米/小时。

基于“深空一号”的成功，一艘名为“黎明”的航天器也于2007年9月27日离开了地球。它的目标是位于火星和木星之间的灶神星和谷神星。在黎明号上，电力来自两个巨大的太阳能电池板，当这个太阳能电池板收拢时，黎明号只有2.36米长，而当它展开后，黎明号的最长尺寸可达到19.7米。尽管灶神星和谷神星距太阳的距离比火星距太阳的距离还要遥远，但这对宽阔的太阳能电池板依然能提供足够的电力，保证黎明号长途奔行50亿千米完成探测任务。随着推力的逐渐积累，这艘探测器在出发一年后，其飞行速度可达到9万千米/小时。

[责任编辑]庞云