中國空間站“充電寶”：每平米造價(jià)100萬元，每天發(fā)電1000度

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twq19810302

電梯直達(dá)

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發(fā)表于 2022-12-6 10:40:18 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

本帖最后由 twq19810302 于 2022-12-6 10:42 編輯

天宮空間站雖然是后起之秀，但論噸位、個(gè)頭與太陽翼面積，其實(shí)與國際空間站還有不小差距。但神奇的是，中國天宮的發(fā)電能力，居然能與國際空間站（ISS）能打個(gè)平手，這是為何？

【國際空間站使用8個(gè)巨型太陽翼提供能量】

中國空間站一期建成之后，有3個(gè)大型艙室，大概是90噸重量，其中問天、夢天各有兩組太陽翼，天和核心艙還有2組太陽翼，總共六組，都是中國獨(dú)創(chuàng)應(yīng)用的柔性太陽翼。

中國空間站未來可以拓展到180噸。雖然天宮本身已經(jīng)不小，但相比國際空間站還是有些差距。國際空間站是個(gè)420噸的太空怪獸，擁有8個(gè)大型太陽翼，6個(gè)大型艙室，無論是個(gè)頭還是太陽翼數(shù)量，都比天宮大了很多。

但是，在這些數(shù)據(jù)對(duì)比里，有項(xiàng)數(shù)值卻完全不成比例。那就是在重量、數(shù)量都相差較大的前提下，中國天宮空間站的發(fā)電功率，居然與國際空間站差不多。換句話說，中國天宮用小得多的尺寸和重量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國際空間站發(fā)電功率、有效艙室體積等指標(biāo)的追趕。

【天宮發(fā)電主要靠四個(gè)大型太陽翼，再加上其他太陽能板，發(fā)電總功率超過100千瓦】

天宮發(fā)電能力，與國際空間站不相上下

國際空間站靠8個(gè)電池板，可以產(chǎn)生84-120千瓦的電力。與夢天完成對(duì)接后，天宮靠6套電池板，設(shè)計(jì)發(fā)電功率就已經(jīng)超過100千瓦，兩者發(fā)電能力已經(jīng)基本相同。這是什么原因？

是天宮的太陽能板更大嗎？結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，并不是這樣，ISS的面積反而更大。國際空間站的太陽翼，長度超過30米。天宮最大的四個(gè)太陽翼，規(guī)格是27米X4米，展開面積只有138平米。

【ISS的太陽翼更為巨大，乍看與天宮的差不多，其實(shí)完全是兩碼事】

發(fā)電能力強(qiáng)，關(guān)鍵在材料上

用這么小的身板，發(fā)這么強(qiáng)的電，其實(shí)關(guān)鍵就在材料與技術(shù)上。乍看ISS與天宮都是太陽翼，樣子結(jié)構(gòu)都差不多，但實(shí)際上完全是兩個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物。

中國空間站的柔性太陽翼，完全是自主研制，壽命長、可靠性高、可以重復(fù)展開收放，厚度只有0.7毫米，采用三結(jié)砷化鎵材料，發(fā)電效率超過30%，采用鋰電池存儲(chǔ)能源；而且有獨(dú)特的太陽定向裝置，隨時(shí)正對(duì)著太陽，確保發(fā)電效率。

整個(gè)中國空間站，每天發(fā)電量可以達(dá)到約1000度，可以保證空間站幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的全天運(yùn)作，還有能量富余。關(guān)鍵是，中國空間站的太陽翼采用二次展開的獨(dú)特設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和材料領(lǐng)先世界，重量比國際空間站大大減輕，不需要復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)，日后維護(hù)更換也更方便。

早在1890年代，不到20歲的法國物理學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾，其實(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，給人類的能源領(lǐng)域打開了全新的大門。但因?yàn)楣β侍停@技術(shù)在地面上一直沒怎么開發(fā)利用，直到20世紀(jì)50年代太空時(shí)代開啟，才開始大放光彩。1958年首次用在了美國衛(wèi)星上，當(dāng)時(shí)發(fā)電功率，只有5毫瓦。

【天才物理學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾，光伏效應(yīng)也被稱作貝克勒爾效應(yīng)】

太陽的輻射強(qiáng)度，在地球附近是穩(wěn)定不變的，想要提升太陽能發(fā)電功率，只有2個(gè)辦法：一個(gè)是增大面積，一個(gè)是增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)際上在1998年時(shí)，國際空間站使用的已經(jīng)是較為先進(jìn)的硅基太陽能電池板了，不但面積巨大，轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了14%。

【先鋒1號(hào)是美國第二顆衛(wèi)星，其實(shí)只有巴掌大，可見當(dāng)時(shí)美國航天技術(shù)確實(shí)有些落后蘇聯(lián)】

但是作為第一代半導(dǎo)體材料，想再提升硅基太陽能的發(fā)電功率，已經(jīng)比較困難了。有人就想到了新材料，那就是第二代半導(dǎo)體砷化鎵。相比轉(zhuǎn)換效率最高14%的硅基，砷化鎵的光電轉(zhuǎn)換效率可以超過30%，直接翻倍。

打造新一代太陽翼，哪有那么容易

即便有了新材料了，想造出太陽翼也是困難重重。太陽翼要直接在太空里與強(qiáng)輻射對(duì)抗，面臨著300度的高低溫差，需要在這么惡劣的條件下，需要避免老化，維持?jǐn)?shù)年甚至十幾年的壽命，難度可想而知。

而且，就像半導(dǎo)體硅一樣，砷化鎵也需要單晶結(jié)構(gòu)才能使用，僅僅是制備這種產(chǎn)品就需要很高的技術(shù)。那么，半導(dǎo)體技術(shù)相對(duì)薄弱的我國，是怎么較早用上這個(gè)技術(shù)的？

因?yàn)槲覈蝗眹浚€有前輩打下基礎(chǔ)。林蘭英院士曾是美國著名半導(dǎo)體專家，放棄優(yōu)厚條件回到祖國，在五六十年代，先后負(fù)責(zé)研制成中國第一根硅、砷化鎵等單晶，為我國半導(dǎo)體材料研究打下最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【林老曾是美國頂級(jí)半導(dǎo)體公司的頂級(jí)專家，56年她放棄優(yōu)越條件毅然回國，曲折程度不比錢學(xué)森差多少，也被美國政府“關(guān)照”，遭到攔截搜查扣押】

于是，在一代代科研人員接力下， 2016年天宮二號(hào)升空，就開始用上半剛性三結(jié)砷化鎵電池板的全新技術(shù)，這時(shí)中國已經(jīng)在新型太陽翼技術(shù)上，走在了前頭。不知是不是巧合，2017年美國緊接著在國際空間站，測試了砷化鎵太陽翼，計(jì)劃2022-2023年給ISS換上新設(shè)備，增強(qiáng)發(fā)電能力。與中國前后腳更新太陽翼設(shè)備，還真是“巧合”。

至于砷化鎵電池板的生產(chǎn)技術(shù)門檻到底有多高，看造價(jià)就能體會(huì)到了。三結(jié)砷化鎵電池板，一平方厘米造價(jià)超過100元人民幣，一平米造價(jià)就是100萬，在有些城市都能買一套房了。

【三結(jié)砷化鎵電池板加工特別復(fù)雜，而且使用的材料也是昂貴金屬，但確實(shí)是非常優(yōu)秀的發(fā)電裝備，這時(shí)候不能單純的算經(jīng)濟(jì)賬，技術(shù)性能超過一切】

砷化鎵材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用，走過了半個(gè)多世紀(jì)才開始有眉目，背后是相關(guān)技術(shù)和加工工藝的不斷革新，是一整套產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善與支撐。

很多類似的技術(shù)也都需要這樣的厚積薄發(fā)，經(jīng)過十幾年數(shù)十年的積淀，才能出成果。現(xiàn)在半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代了，希望我國能再接再厲，生產(chǎn)出光電轉(zhuǎn)換效率更高的新型材料，為下一代中國太空“巨艦”充能。