太空资源丰富多彩，矿产能源空间轨道详解

太空蕰藏着丰富的矿产资源、能源资源、生产环境资源、空间轨道资源和太空反物质资源。

（一）空间矿产资源

空间矿产资源是生产建设和国防建设不可缺少的原材料。在很早以前，人们从分析天上掉下来的陨石成分得知，陨石里含有丰富的金属元素，如铁、镍、锰、铝、铬和金刚石等。在我国新疆维吾尔自治区青河县曾经落下过一块大陨石，重量达30 t，对其进行成分分析显示，其中的铁成分占到88．67%，还有9．22%的镍。铁和镍的含量比在地球上最富有的矿石还要高，而且它们都以金属状态呈现。事实上人类最早使用的铁，就是从这种含铁的陨石中得到的。在美索不达米亚一带的苏美尔人古墓中，发现在五六千年前用陨石的铁制造成的小斧；在埃及金字塔保存4 000多年前的宗教经文中，有关于用铁来制造太阳神等神像宝座的记述。在远古时候，人类还没有掌握从矿石中提炼铁的技术，非常珍贵的铁器是用铁陨石制造的，因此在苏美尔人的语言中，铁这个字的意思是“天降之火”；在古希腊文中，“铁”和“星”是同一个字，都表示铁是来自天上的。表1-4列出了可能在月球、火星和小行星上找到的具体矿产资源类型。分析从月球上采回来的岩石样品发现，月球矿物所含的元素硅、铁、铝、钛、镍、镁等正是地球上用量最大的矿物元素，而且在月球矿物里面它们的含量还很高，在有的月球矿物样品中，二氧化钛的含量高达11．14%，三氧化二铝的含量达35．49%。月球上的一些金属元素还具有一些特殊性能，例如，铁是一种“金属铁”，而不是同镍和钴混合而成的合金中的氧化铁，因而它容易被提炼出来，而且比地球上的铁纯度更高，不容易生锈。月球上还有在地球上稀缺的、被誉为“清洁”能源的核发电材料氦-3。太空中的金属型小行星上也有丰富的铁、镍、铜等金属，有的还存储有金、铂等贵金属和珍贵的稀土元素；在木星上有非常丰富的甲烷、氨、氢等重要化工原料和燃料，这些也是地球上比较稀少的矿产资源。

表1-4　月球、火星及其他小行星上可能存在的矿产资源

（续表）

除表1-4所列出的矿产资源以外，“建筑石料”也是月球和火星上的一种重要资源。建筑石料对于基础设施的修建极为重要，在地球上，其主要来源是砂、砾石矿以及坚固的岩石被开采出来后加工成的碎石。月球表面的月壤，几乎都是很好的建筑石料。

此外，太空中还有两种重要矿床，即太阳风矿床（即太阳风粒子注入星球表面风化层所形成的矿床和火山碎屑矿床）。太阳风矿床是地球上所没有的矿床，它是一种独特的太空资源，月球和火星上都有这种太阳风矿床。火山碎屑矿床是另一种重要的太空矿产资源，它可能是月球上最主要的矿产资源。

（二）空间能源资源

空间蕴藏着丰富的能源资源，比较熟悉的有太阳能，这是清洁能源，而且存储量巨大，可以说是用之不竭的能源。另外一种能源是真空能源，这是一种新发现的能源。研究指出，真空根本不是空洞的，而是充满各种电磁场、各种带电粒子。这些场和粒子在绝对零线处，称为零能量或真空能量。这种“零点能量”是宇宙总已知能量的3倍以上，可预测在不久的将来，人类将能够从真空中获取能量。航天器星际旅行所需的能量可以在任何时间和地点从真空中获得，并且取之不尽，用之不竭。目前，世界上许多国家都在积极研究这种真空能源以及如何使用它，一旦在这种技术上取得突破，人类就又可以获得用之无穷无尽的能源。不过，目前实际应用的主要还是太阳能。

1．太阳能

从广义来说，它是指太阳的热辐射能，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能，它们都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等），从根本上说也是远古储存下来的太阳能。

植物的生长、生存需要太阳能；人类本身的成长、健康也需要太阳能。在生活、生产中所需要的各种能量绝大部分都是直接或者间接地来自太阳能；煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能更是成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能的主要特点有：①广布性。太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋、无论高山或岛屿都处处皆有，可直接开发和利用，便于采集，且无需开采和运输。②环保性。开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。③数量巨大性。太阳每秒向四周空间发射的能量高达3．8×1026J，每年到达地球表面的太阳辐射能约相当于130万亿t煤燃烧产生的能量，其总量是现今世界上可以开发的最大能源。④供给长久性。太阳能源自太阳内部的热核聚变。太阳中心的温度高达1 500万℃，压力也十分巨大，在这种高温、高压条件下，物质的原子结构会发生变化，结果发生每4个氢原子核聚合成1个氦原子核的物理过程，与此同时释放出巨大的能量。这个过程在物理学上称为热核聚变，热核聚变反应比化学燃烧释放的能量要大100万倍以上！简单来说，1 g重的氢气变成氦气时，释放出来的能量等于燃烧15 t汽油产生的能量。而太阳有着巨大的质量1．98×1033g，在这巨大的质量中，有71%是氢气，根据太阳产生的能速率估算，氢气的储量足够维持太阳发光、发热上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

21世纪以来，随着世界能源价格的不断攀升和环境的日益恶化，越来越多的国家、组织、企业和个人，包括军方都开始关注太阳能的利用，并提出了各种太阳能应用技术，其中太阳能电站是其中重要技术之一，这将是清洁环保、不会产生公害的电能能源。不过，太阳能在地面上的利用率不高，产生的电功率也并不稳定。因此科学家一直在研究在太空建立太阳能发电站，并将发电产生的电能传输回地球的工作方案。近年来，空间太阳能电站技术已经成为中国、美国、日本等国家着力攻坚的未来新能源技术。据中国之声《新闻纵横》2019年2月2日的报道，我国在重庆璧山区启动建设世界首个空间太阳能电站实验基地，在36 000 km外的太空建兆瓦级太阳能发电站，为空间太阳能电站最终进入商业化迈出了重大一步。

2．太阳能光热利用

它的工作基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器、陶瓷太阳能集热器和聚焦集热器（槽式、碟式和塔式）等4种。通常根据其所能达到的温度和用途的不同，把太阳能光热利用分为低温利用（温度小于200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（温度大于800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖（太阳房）、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等；中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等；高温利用主要有高温太阳炉等。

太阳能热力发电是太阳能光热应用最重要的形式，即利用太阳辐射所产生的热能进行发电，属于太阳能高温热利用技术。其工作原理是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸气，然后由蒸气驱动汽轮机带动发电机发电，前一过程为光-热转换，后一过程为热-电转换，或者说这是通过集热器代替了常规锅炉，用太阳能热力系统带动发电机发电，世界上现在已经先后建立了几十座太阳能热发电系统。对大功率的太阳能热力发电系统，常需要较大的占地面积，因此，太阳能热力发电特别适合于偏远地区和电力输送困难的地区，尤其适合于我国的西部地区。

太阳能热力发电系统要求集热温度高，这需采用聚焦型集热器，以提高太阳光能流密度。根据使用的集热器类型，目前的热发电系统主要有3种类型：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。研究显示，其中的太阳能塔式热发电是最有可能实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。

1）槽式太阳能热发电系统

这是利用抛物柱面槽式反射镜将太阳光聚焦到管状的太阳光接收器上，并将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，驱动常规汽轮机发电。抛物面可对太阳进行一维跟踪，聚光比在10～100之间，温度可达400℃。槽式太阳能热发电最大的优点是多聚光器集热器可以同步跟踪，故跟踪控制代价大为降低。缺点是能量在集中过程中依赖管道和泵，管道系统比塔式电站要复杂得多，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输出功率和效率。图1-16为槽式太阳能热发电站。

图1-16　槽式太阳能热发电站

图1-17　多碟太阳能热发电系统

2）碟式系统

这是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器放置在抛物面的焦点上。借助于双轴跟踪将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上，接收器内的传热工质被加热到750℃左右，驱动热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。单个碟式斯特林发电装置的容量范围在5～50 kW之间。用氦气或氢气作为工质，工作温度达800℃，斯特林发动机能量转换效率较高。碟式系统可以是单独的装置，也可以是由碟群构成以输出大容量电力。图1-17为多碟太阳能热发电系统。

3）塔式系统

塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的太阳能接收器上；接收器将采集的太阳能转化为热能，通过接收器的流体可被加热到1 200℃；热能由蓄热装置收集，并由装置内的工作流体通过热力循环将热能传输至动力设备（汽轮机或燃气轮机）并带动发电机发电。图1-18为塔式太阳能热发电站。

图1-18　塔式太阳能热发电站

塔式太阳能热发电的特点是：采用高温熔融盐来蓄热储能、聚光比高、容易达到较高的工作温度、接收器散热面积相对较小、可以得到较高的光热转换效率，这种电站的运行参数与高温高压的常规热电站基本一致，因而不仅有较高的热机效率，而且容易获得配套设备。

3．太阳能光伏发电

这是太阳能光电利用的主要形式，它是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源；大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

1）太阳能电池

这是太阳能光伏发电的主要部件之一，其功能是将太阳能直接转换成电能。主要有硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、有机半导体太阳能电池、纳米晶体太阳能电池和薄膜太阳能电池等。

（1）硅太阳能电池。

这是以晶体硅为主要材料制备的太阳能电池，包括单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池是研究和开发最早的太阳能电池材料，保持着目前最高的太阳能电池转换效率，技术也最为成熟。上海一家薄膜公司采用在硅表面镀特殊薄膜层，能量转换效率最高达90%或以上。但是单晶硅太阳能电池成本比较高，为了降低成本，现在研发了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅和单晶硅的本质区别在于多晶硅内存在晶界、晶体颗粒很小。多晶硅太阳能电池成本低廉，但是转化效率比单晶硅电池低，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%左右。现在采用在材料表面镀特殊膜层，能量转换效率也可达到80%或以上。

非晶硅太阳能电池是利用硅氢合金材料，其成本低、重量轻、便于大规模生产，但是目前转换效率还比较低。

（2）多元化合物太阳能电池。

多元化合物太阳能电池材料为无机盐，主要包括砷化镓Ⅲ～Ⅴ族化合物、硫化镉、铜铟硒电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产。

砷化镓（GaAs）Ⅲ～Ⅴ化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的光学吸收效率，抗辐照能力强、对热不敏感，适合制造高效单结电池。但由于GaAs的成本较高，目前主要应用于航天领域。为了充分应用太阳能，还发明了叠层电池，GaAs的叠层电池转化率高达35%。

铜铟硒电池（CuInSe2）不存在光致衰退问题，能量转换效率和多晶硅相同，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都属于比较稀有的元素，故这类电池的发展必然受到限制。

（3）有机半导体太阳能电池。

有机半导体太阳能电池指含有C—C（碳—碳键）并且导电能力介于绝缘体和金属之间的太阳能电池。有机半导体可分为3类：高聚物P3HT；电荷转移物如PCBM、芳烃-金属卤化物等；分子晶体如酞花菁铜等。它们有可能在非常低的温度下，以低廉的价格进行大面积的光伏电池制备。

有机半导体太阳能电池虽然光电转换效率低，但具有制备工艺简单、电池可以弯曲、柔韧性好等优点。

（4）纳米晶体太阳能电池。

纳米TiO2晶体是新近发展的、非常热门的太阳能电池材料。最大的优点在于其导电机制建立在多数载流子的传输上，因此允许使用相对不纯的原料，从而带来了廉价的成本、简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳能电池的1／5～1／10，寿命可达20年或以上。

在空间太阳能发电站中，考虑到大型工程的施工成本，纳米TiO2是一个比较理想的选择。此外，考虑到太空低温的环境，有机半导体材料也可以作为空间太阳能发电站的另一选择。

（5）薄膜太阳能电池。

这是用单质元素薄膜、无机化合物薄膜或者有机材料薄膜等制作的太阳能电池，通常其厚度为1～2μm。这些薄膜通常用化学气相沉积、真空蒸镀、辉光放电、溅射等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。钙钛矿太阳能电池是一种新型薄膜太阳能电池，具有制备简单、光电转换效率高、成本不高以及可制备柔性器件等一系列优点。

2）电能储存

在太阳能发电站中，另一重要的设备是电能的储存设备，把由光伏电池光电转换得到的电能快速存储下来并进行合理的分配，使得整个发电系统的电能利用率尽可能高；给负载供电时，应保证有稳定的输出电压，使得负载能够正常工作。在各种储能方式中，超导储能系统具有效率高、功率密度高、响应速度快、循环次数无限等优点。对于空间太阳能电站，对电能的储存还提出了较高的要求。光伏发电的特性与太空电能通过大气传输特性和光伏模块温度有密切关系，急剧的环境变化会造成太阳能发电功率的剧烈波动。通过仿真研究表明：光伏发电采用超导体储电能技术，可以有效地平抑电功率波动并稳定电网电压；同时，太空有超低温的特点。因此，太空太阳能发电站可考虑采用超导体储电技术。

某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫作超导现象，能够发生超导现象的物质叫作超导体，这一特定的温度成为该物质的临界超导温度。1911年，荷兰科学家昂内斯（Ones）首次发现了这个现象，他用液氦冷却汞，当温度下降到4．2 K时，水银的电阻完全消失。后来又陆续发现了临界温度更高的材料。

超导体储电能的基本原理是，把超导体制成线圈，在其中输入电流，超导线圈可产生很强的磁场，电能就以磁场形式无损耗地储存起来。超导磁体可得到很高的电流密度和磁通密度，因而可达到极高的能量密度，储能密度约108J／m3。由于超导体的内阻为零，因此用超导体做成的线圈，如果线圈内有电流，则其将一直维持而不会衰减，即它能长时间无损耗地储能，在需要电能的时候通过功率调节系统释放出来，重复次数一般为千次。也就是说利用超导体的特性做成的储电能器，不仅可以达到无耗储电能的目的，还可以实现电能的长时间存储。(www.zuozong.com)

超导储电能系统主要由超导线圈、冷却系统、失超保护与系统保护、变流器和控制系统等部分组成，其中的超导线圈通常有环形和螺管形。小型及中型超导储电能系统多采用漏磁少的小型线圈，而大型超导储电能系统及需要现场绕制超导储电能系统多采用虽然漏磁较多，但结构简单的螺管型线圈。

4．太空太阳能电站

也称空间太阳能电站，是指在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传输到地面，再转换成电能，并入电力系统，供用户使用。如图1-19所示，空间太阳能电站主要由3大部分组成：太阳能发电装置、能量转换和发射装置、地面接收和转换装置。

图1-19　空间太阳能电站示意图

1）优越性

在太空建立太阳能电站的最大优势在于可以几乎不间断地为地面提供清洁的可再生能源。如果能够有效地利用空间太阳能，将可以为人类提供巨大的、无尽的清洁能源储备。假设在空间地球静止轨道上每间隔0．5°（间距约360 km）布置一个太空发电站，每个太空发电站的发电功率为5 GW，则可以为地面连续提供约3．6×109k W的电力。同时巨大的空间供电还可以用于地面的海水淡化、制氢等。同时，太空发电站作为一种大型的空间供电基础设施，覆盖面非常宽，可以灵活地用于地面移动目标的供电和紧急情况下的供电，包括偏远地区、海岛、灾区等。此外，太空发电站可以实现对可视范围内的低轨、中轨和高轨航天器供电，未来也可以利用太空发电站直接进行空间燃料生产，为空间加工生产制造提供动力，使得未来的空间工业发展变成现实。其次，太空中的太阳能不受大气层的阻隔，接受太阳光的强度是地球表面上的8～10倍，同样面积的太阳能电池获得的太阳能量将比在地面上多许多倍。第三，安装在太空中的太阳能发电站，因为没有了雨天、云层和夜晚的阻碍，在太空可以24小时持续不断地接收太阳光能量，解决了地面太阳能发电站的间断性和稳定性的问题。第四，太空是微重力区域，几乎不受重力影响，所以，太阳能发电装置可以做得很大，也就能够获得很大的太阳能电能，而且设备使用寿命还很长。

另外一种可能的大功率空间电站——月球太阳能发电站，是利用月球的资源建立月表太阳能发电站，并向地球输电。月表环境非常适合于建造大面积太阳能发电站。月表太阳光照条件稳定，不存在空气和水汽的影响，不会影响大面积薄膜太阳能装置的性能。采用转换效率为10%的太阳能电池，就可以让面积1 km2的太阳能电池板产生130 MW的电能；而且月球的星体力学条件稳定，不会受到天气、地震活动和生物过程的影响。同时，月球矿物质十分丰富，月尘和岩石材料包含了至少20%的硅、40%的氧、10%的金属，可以直接进行月球原位资源生产建造太阳能电站所需的各种部件。

2）电能无线传输系统

这是太空太阳能发电站最重要的一项，只有实现电能的远距离无线传输，才能真正将太阳能电站搬到太空变为可能。

电能无线传输技术按传输机理的不同，可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式、超声波方式等；按电磁场距离场源的远近，可分为近场耦合式和远场辐射式。其中，磁感应耦合式、磁耦合谐振式和电场耦合式为近距离传输，微波辐射方式和激光方式为远距离传输。

（1）微波辐射无线电能传输系统。

所谓微波输电能，就是通过微波源把电能转变为微波，然后由天线发射出去；大功率的微波束通过自由空间后被接收天线收集，经微波整流器重新转变为电能。或者说这种电能传输的实质就是用微波束来代替输电导线，通过自由空间把电能从空间一个地方输送到另一个地方。

微波无线能量传输是空间太阳能电站研究较多的传输方式，具有较高的能量转换和传输效率。微波在特定频段上的大气、云层穿透性非常好，技术相对成熟，微波束功率密度低，且可通过微波束进行高精度指向控制，具有较高的安全性。但由于微波束宽，发射和接收天线的尺寸规模都非常大，工程实现具有较大的难度，比较适合于超大功率的空间太阳能电站系统。

●基本原理

图1-20是微波辐射式无线传输电能的基本结构原理图，其中的微波功率源的核心部件是微波功率器件，在2～10 GHz频率范围内，各种微波功率器件的性能参数如表1-5所示。由表可知：磁控管的效率较高，输出功率较大，能达到千瓦级；行波管的效率略低，输出功率较小；多束调速管的效率较高，而输出功率略低；但磁控管、行波管和调速管的输入电压较高，需要专门的高压电源，且器件重量相对较大，不利于系统集成；氮化镓（GaN）固态功率放大器的体积小、重量轻，能带隙较宽，更利于系统集成，降低系统制造成本。

图1-20　微波辐射式无线传输电能的基本结构原理图

表1-5　各种微波功率器件的性能参数

●传输效率

微波发射／接收天线的效率ηt、ηr取决于天线的优化设计，即发射／接收天线的口径场分布设计；而微波在自由空间中的传输效率可达100%；转换效率则主要取决于DC-RF变换器和整流电路的效率。

由于微波的穿透性，使得微波可以穿透某些障碍物，可以适用于远距离的电能传输。但是大气中的空气介质有不稳定性，使得微波传输有不定向性，并且空气中的杂质和水蒸气会造成能量的大量损失，生物体吸收大量的微波也会影响其发育和生长。

（2）激光无线传输电能。

通过激光器把电能转变为激光束，当它传输到地面被接收后再转换成电能。这种无线能量传输技术主要特点是传输波束窄、发射和接收装置尺寸可以小，应用更为灵活；通过合理选择激光波长，可以减小大气损耗。这种传能方式比较适合于中小功率的空间太阳能电站系统。

●基本原理

如图1-21所示，电站上产生的电能输入激光驱动器，它泵浦激光器发射出特定波长的激光，激光束通过光学发射天线进行集中、准直整形处理后发射，并通过自由空间传输到达地面接收端，且经过光学接收天线接收聚焦到光电转换器，并完成激光-电能的转换。传输控制模块控制激光光束发射方向，使激光光束能够实现最高的光电转换效率。

图1-21　激光无线电能传输基本结构

●激光器的选择

传输电能系统中的激光器是激光发射的核心部件，对激光器的选择需要考虑两个因素：一是激光能量转换效率，能量转换效率高，相同激光输出功率的器件体积、重量会比较小，这对建造空间站更有利；二是激光波长。激光从空间站传输到地面需要经过大气层，不同波长的激光通过大气时的能量损失是不一样；此外，如果激光束传输到地面后，采用的光电转换器是光伏电池，那么就需要考虑它们之间的波长匹配，以获得最佳能量转换效率。

激光束在大气中传播时大气对激光的吸收会导致大气温度发生变化，进一步影响大气的折射率，导致激光光束传播发生变化。为了使激光束对大气影响较小，同时使大气对其传输影响较小，要求激光光束口径不能太小，且能够以多光束的形式传输。

此外，为降低地面接收激光束的接收口径，增大传输距离，要求激光光束有小的发射角。在发射系统中通常通过光束成形技术对待发射的激光进行会聚，也能够改善系统的准直性要求。

据已有测试结果显示，波长为800 nm左右波段的激光较适于无线能量传输。在这个波段大功率的激光器有固体激光器和半导体激光器。固体激光器的转换效率大约为4%；而半导体激光器阵列为55%～60%，如铝镓砷（Al Ga As）半导体激光器，其电-光转换效率已达70%，而且半导体激光器具有电-光转换效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，发射天线可以设计成接近衍射极限，尽可能地获得最小的接收光斑。

●光伏器件选择

光伏器件是将激光转换成电能的核心部件，不同材料的光伏器件其光功率转换效率是不同的，表1-6给出了几种光伏器件在激光照射下的功率转换效率。为获得更高的激光功率转换效率，使用GaAs材料光伏器做接收器件更好一些。

表1-6　几种材料光伏器件的光功率转换效率

在光伏器件的材料一定的情况下，光波长和照射在光伏器件上的激光功率密度对功率转换效率也有影响。选择相匹配的激光波长，使激光波长位于光伏器件材料的光谱响应峰值附近，可以得到较高的光电转换效率；同样，选择合适的激光功率密度，将使得输出功率和光电转换效率更高，图1-22为GaAs光伏器件的光电转换效率与激光波长、激光功率密度的关系。光电转换效率随激光功率密度的变化呈单峰特性。不过，研究结果也表明：激光照射下光伏电池温度会快速上升，而其光电转换效率随温度的升高而线性下降，甚至会损坏器件，因此需要对光伏器件的温度加以控制。通过选择与光伏器件材料相匹配的波长，并采取较好的冷却措施，GaAs光伏器件最终得到的光电转换效率能够达到61．2%。

图1-22　GaAs光伏电池能量转换效率与激光波长、激光功率密度的关系

此外，由于光伏器件表面会产生激光反射，所以在这里不宜直接使用普通太阳能光伏电池进行光电能量转换，而需要开发出具有特定表面限光结构的激光-电能转换器件。

（三）生产环境资源

太空另外一个重要资源是提供卓越生产和工作条件的环境场所。科学技术研究和高技术产品生产往往需要有特殊环境，如制造计算机、光通信以及其他信息技术中使用的光纤、半导体元件、合金等，在地面上生产这些原材料时往往出现诸如微观缺陷、纯度不高以及其材料密度分布不均匀等问题，为了改善产品质量，就需要建立特殊环境的生产场所。太空就是生产性能优良材料的理想环境：高真空度、微重力、无污染。

1．自然高真空度环境

在200～500 km的低轨道空间，其真空度为10－4Pa，在35 800 km的地球同步轨道上的真空度为10－11Pa，而且那里是纯净无污染的环境，在这种环境条件下能够生产制造出许多在地球上不容易制造出来的材料产品，如光通信用的高纯度、高性能质量光纤、制造光电子产品的半导体单晶、特殊合金等。

2．微重力环境

在太空的重力接近于零（重力加速度小于10－4g）。在微重力条件下，由于无重力，液滴较之地面更容易悬浮，在冶炼金属时可以不使用容器，即采用所谓悬浮技术冶炼。冶炼温度不受容器耐温能力限制，因此能够进行极高熔点金属的冶炼，同时也避免了容器壁对冶炼产品的污染和非均匀成核结晶；改善晶相组织，提高金属性能如高耐磨性、高耐腐蚀性等，还能够提高材料纯度。此外，在微重力条件下，不同比重物质之间的分层和沉淀消失了，因此，在采用多种元素的熔融态金属制造合金，其成分分布将极均匀。

在微重力条件下，晶体生长时其晶格趋向理想状态排列，晶体结构完善，位错密度非常低，掺杂均匀性很好，组分偏析少。在空间站生长的锑化铟单晶，用它制造计算机元件，可使其尺寸减小9／10。广泛应用的半导体材料砷化镓（GaAs），在地球上生长出来的往往存在清晰的、高密度杂质条纹，而在空间站生长的这种晶体就没有这种条纹。这是因为砷化镓中的镓，其比重是5．904，砷的比重是1．97，两者的比重相差比较大，因而在地球上的熔体生长时，在砷化镓晶体内就不可避免地存在着组分分流，导致在砷化镓中的化学配比出现偏离，这是一个长期没有办法解决的严重质量问题。在空间站上，组分的重力驱动对流消失了，砷化镓的化学配比也就能够得以精准，得到的砷化镓晶体的缺陷和络合物自然也就大为减少，晶体的性能质量获得了大大提高。

3．高纯净无污环境

在地球上生产药物时难以避免微生物、有害气体及微尘粒的污染，同时由于地球重力的影响，也难以生产和提炼高纯度药物。虽然可以利用超高真空设备制造药物，但生产量低、产量少、价格昂贵、质量也不稳定。太空是一个无菌、高清洁、高真空、微重力的世界，在这里可以生产出各种优质药物，产量也大幅度提高。在太空生产同一种药物，纯度可以比在地面生产高400～500倍，一个月的产量相当于地面上30～60年的生产量。

（四）空间轨道资源

海上航行、空中飞行等都有航道，同样的，各种飞行体（如地球卫星、航天器、空间站等）也需要适合的运行轨道，轨道资源就是指太空“航道”的特殊用途。在太空轨道上运行的人造地球卫星、空间站等，它们可以快速、大范围地覆盖地球表面，追踪地球上出现的各种变化。在地面上，即使天气再好，再晴朗，视野再开阔，目力所及也就是几十千米范围，乘飞机也只能看到方圆数百千米的地方。而在离地球200 km轨道上的人造地球卫星，可以看到14%的地球表面；在距地面35 786 km的地球静止轨道上的航天器，则可以观察到42%的地球表面，人类发射到这一高度各类人造天体，能够实现对地球进行大范围监测和预报天气、火山爆发、森林大火、洪水、地震等自然灾害；通信卫星可以为人类实现全球通信服务；导航卫星在全世界范围内提供了全天候、全天时卫星导航定位信息，使铁路、公路、海洋、航空的运输更加高效安全。空间轨道为这些航天器提供了运行的航道，是各种航天器的宝贵资源。

（五）太空反物质资源

反物质的质量与它们所对应的物质相等，但组成它们的粒子电荷正负性与物质粒子相反。例如，电子的反物质是正电子，质子的反物质是反质子。肉眼能看到通常存在的物质，但是反物质必须运用特殊的仪器设备才能观测到。因此，反物质是一种物质形式，但通常无法在自然界找到它们，在太空的放射衰变或宇宙射线中有少量，但稍纵即逝。

由广义相对论引力场方程推论出：宇宙中的黑洞是连接两个分离时空区的隧道。假如反物质世界处于另一时空，那么黑洞就可能是反物质世界的通道，或者说黑洞内部就是一个反物质世界。

反物质和物质相遇就会发生湮灭，并产生巨大的能量。有关资料显示，它们相遇时释放出的能量是现在航天飞机推进器使用的氢、氧燃烧释放出能量的100亿倍、是核裂变反应所产生能量的1 000倍、核聚变反应释放能量的300倍。最大的问题是反物质仍然很难生产，而空间却有丰富的反物质资源，等待我们开发。