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3D打印使空间太阳能不再是超现实

日期:2013/12/11浏览:109813分享3D的世界:
    空间太阳能自上世纪70年代首次提出以来,一直是个超现实主义的梦想。进入21世纪,3D打印让这个梦想有了实现的可能。

    相较于地面太阳能,空间太阳能(SBSP)拥有众多优势。但将太阳能电池板送上空间轨道的成本极高,因此发展前景曾遭受强大阻力。3D打印能够很好地缩减空间太阳能的成本,使其成为可为人类所用的能源。

    3D打印近些年发展迅速,态势喜人。相较于将提前生产好的太阳能电池板送入太空的做法,“将特定的3D打印机送入太空,直接在空间轨道上生产太阳能电池板”将大幅压低成本。

    美国国家航空航天局(NASA)早前通过“Innovative Advanced Concepts”项目向TUI公司的产品—— SpiderFab 3D机器人打印机提供了投资。TUI首席执行官Rob Hoyt解释,产品的整体构想是在太空创造一个简洁的、持久耐用的组装指令,操控3D打印技术和机器人在太空制造空间太阳能系统,以此替代太阳能电池板在地球的生产、安装过程。

    通过3D打印技术,人们只需要将打印机运送至太空,就能实现空间元件制造和设备搭建。飞行器装载量将减少10倍,重量减少50%-80%。

    包括3D打印机和机器人在轨制造太阳能电池板元件在内的技术只需用更小、更便宜的运载火箭将物料带入太空即可,这将为空间太阳能创造前所未有的性价比。

    一旦进入太空,SpiderFab将完成安装长形、高性能的桁架结构。这个结构用于支撑系统部件,使系统的大型支撑结构得以安装,系统包括数百个太阳能电池板、大型太阳能反射器、足球场大小的天线。

    为了实现空间太阳能发电,SpiderFab将完成两个基本步骤。首先,3D打印机将搭建一个碳纤维桁架结构作为整个系统的框架。之后,如果要在太空中部署聚焦式太阳能的话,机器人会根据指令在桁架结构上覆盖一层PV薄膜或反射物质。

    Hoyt表示,尽管公司还没有对空间太阳能的细节进行分析,但TUI已经通过设计分析确认,SpiderFab能够在太空生产装机为300千瓦的太阳能设备。

    曾负责NASA阿波罗月球车项目的Hubert Davis表示,与地球同步运行的太阳能系统能够克服在地球上的间歇性缺陷,它们能够在99%的时间里保持发电。目前地面太阳能电价已经能够与电网电价持平,但因缺少商用储能设备无法实现持续的电力供给。以目前的技术成本,倘若使用储能设施,那么电价将涨至现在的2-3倍。

    因此,不论从能源安全或经济方面考量,空间太阳能的使用都将为人类带来便利。

    Solar High Group是一个由前NASA科学家和退役军官组成的团体,作为空间太阳能的拥护者,他们致力于将政府的财力和行业技术拼接到一起。自上世纪70年代起,该团体致力于在行业中寻找技术可行性高、对环境产生积极影响、能为人类所利用的技术和方案。但上世纪所有的空间太阳能技术都极其昂贵,并且技术上毫无新意。目前,包括日本在内的多国科学家都在认真研究空间太阳能,但成本问题始终是阻碍这一技术向前发展并推广至商用阶段的障碍。

    NASA阿波罗计划工程师Philip Chapman在2012年8月发表的计算结果中得出结论,空间太阳能的交货成本大约在0.1美元/千瓦时至0.11美元/千瓦时之间。

    根据他于2013年7月的计算更新,在交货成本范围内,发射成本在0.008美元/千瓦时至0.023美元/千瓦时之间。

    3D技术的使用能够保证运输数量和重量大大减小,因此运输成本也将大幅下降。但成本并不是空间太阳能面临的唯一挑战。

    Solar High Group证实,安全是第二大障碍。空间太阳能装置所发电力将通过微波传动装置从太空轨道传到地球,这个过程中的电量将是微波炉产生电量的200万倍。

    此外,当地球的接收站有任何中断时,传输必须立刻终止。Richard Dickinson表示,飞机能够安全地从电波中穿过。并且,实验已经证实,敏感如蜜蜂这样的小昆虫在穿过电波时亦不会受到任何影响。

    NASA的工程师解释,导致空间太阳能难以向前发展的真正原因有二。首先,公共事业公司认为发展空间太阳能是冒险的行为,并且是并不值得的冒险。其次,其它能源资源的拥护者们不希望空间太阳能的出现来“抢饭碗”。

    即使阻力重重,3D打印的出现和应用成全了不同技术之间的融合,使现有技术能够解决更多问题。

    波音公司(Boeing)和通用电气公司(GE)正在尝试利用3D打印技术制造飞机零件,更小规模的应用程序已经进入到制造商的供应链中。

    Hoyt曾表示,由于有了NASA的资金支持,SpiderFab打印机再过3至5年就可以被送入太空。

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