特朗普政府推動商業(yè)性天基太陽能電站發(fā)展途徑

A Trump Administration Path to Advance Commercial Space Solar Power

盡管特朗普在佛羅里達州的選戰(zhàn)中獲得了廣泛支持，但美國航天企業(yè)并不是這期間所討論的話題。美國航空航天局（NASA）的支持者們希望能夠推動美國航天員重返月球或前往火星的進程，另一個更好的話題是讓特朗普政府明白，商業(yè)載人航天事業(yè)可以作為增強和保衛(wèi)美國的經濟工具。

特朗普正在為了實現競選時的諾言而為新政府設置政策和法律議程。有3個非常重要的話題需要引起人們的重視：國家能源自主、全球大氣環(huán)境保護和《巴黎氣候協(xié)定》。一個生機勃勃的、專注于天基可再生能源的美國商業(yè)載人航天事業(yè)，能夠為增強美國未來的能源安全提供手段，處理好大氣二氧化碳含量這個棘手的話題，為《巴黎氣候協(xié)定》的重新談判提供基礎—同時，還要在強有力的多邊支持下展開上述工作。

因此，恢復一個由副總統(tǒng)直接領導的白宮國家航天委員會可以為這些工作建立起清晰的跨部門及國會合作。作為這些工作的一部分，NASA載人探索項目將會增強美國私人企業(yè)，為即將到來的天基能源、太空采礦和太空制造業(yè)取得技術突破。

1 國家能源安全及大氣變化

國家能源安全

國家能源安全對美國在21世紀繼續(xù)保持超級大國地位至關重要。化石燃料占美國當今能源使用的80%，是美國當前能源安全的基礎。多數美國人錯誤地以為，美國擁有用之不盡的國內煤炭、石油和天然氣，這是不準確的新聞報道和誤導式的電視廣告導致的。雖然每個人都知道，化石燃料是不可再生的，但由于相信美國的化石燃料取之不竭，人們對美國國家能源安全得出了不正確的結論。

于是，公眾已經普遍得出這樣一個結論：沒有必要制定政策或采取行動來保證美國在后化石燃料能源時代的安全，因為目前的能源安全是有保證的。他們不知道什么東西可以用來替代化石燃料，或什么時候才急需這樣做。

能源安全關系到方方面面，它包括人口數量、為保持國家繁榮所需的人均能源供給，以及已經探明的國內化石能源儲量。美國地質勘探局給出了利用現有技術探明儲量的正式評估。包括探明儲量，技術上已經探明的可開采儲量，以及專家根據已知地質形成物推測的可開采儲量。下述這些自然資源的規(guī)模和組成適用于評估美國的化石能源安全。

煤炭除了用于發(fā)電，還用于轉化人造汽油，以便于傳統(tǒng)石油耗盡后繼續(xù)保障石油供給。然而，所有的能源資源將在兩三代人之內耗盡，或者變得成本太高而無法使用。

當然這只是一個粗略的估算，但卻指出了美國并不擁有取之不盡、負擔得起的化石燃料供應。特朗普政府就任的這個時刻，正是啟動未來后化石燃料時代能源計劃的起點，因為美國當前擁有3.2億人，到2100年預計將擁有5億人，而能源轉型需要幾代人才能完成。

全球大氣中的二氧化碳濃度

自公元1500年煤炭被普遍使用后，大氣中二氧化碳含量就開始上升，世界人口規(guī)模的擴大和化石燃料導致碳排放的變化加劇了這種現象。在過去的80萬年間，包括兩次冰河期之間的氣候變暖時期和比較寒冷的冰河期。在全球氣候如此大幅度變化的條件下，二氧化碳含量的最高值和最低值卻能出人意料地保持著相對穩(wěn)定，這表明現在的高數值是不正常的。

人類在18世紀開始對大氣中的二氧化碳濃度造成影響，當時的人口規(guī)模超過了10億人。而從19世紀中葉開始，二氧化碳濃度開始大幅度上升，因為煤炭廣泛地取代了木材，蒸汽動力帶來了工業(yè)革命。這使人類對于煤炭的需求大幅度上升，生活水平的提高又促使人口爆發(fā)式增長。當前圍繞“全球變暖”這個話題，在公眾和科學界有很多爭議，其中的焦點就是當前的二氧化碳濃度是否比先前“自然”水平的最高值高40%，并且每年還在攀升。

2 《巴黎氣候協(xié)定》

1992年，經美國參議院批準、小布什總統(tǒng)簽署，美國加入了《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）。這個協(xié)議的目標是“將溫室氣體的濃度穩(wěn)定在不致于使氣候系統(tǒng)遭破壞的水平上”。而二氧化碳則是主要溫室氣體之一。

美國化石能源儲量

《巴黎氣候協(xié)定》是為了全球一致實現《聯合國氣候變化框架公約》目標、針對大氣中二氧化碳濃度上升的最近一次努力。這個協(xié)定在2016年11月4日生效。作為美國的一項“行政協(xié)定”，總統(tǒng)可以直接批準，不需要經過參議院。因此，美國在2016年9月4日提交了正式批準的文件。但奧巴馬政府聲明“目標不存在捆綁：所綁定的要素和此前已經批準的協(xié)議是一致的。”

《巴黎氣候協(xié)定》在有些方面是有缺陷的。其中的一個例子就是它對全球氣候變暖的關注，協(xié)議相信這是由于二氧化碳濃度持續(xù)上升造成的，但并不關心如何通過有序地轉向可再生能源來消除對化石燃料的依賴。另一個例子是創(chuàng)造了一系列自定義的“氣候變化”受害國，按照協(xié)定，要對這些國家做出每年不少于1000億美元的經濟補償。雖然存在著一些廢除《巴黎氣候協(xié)定》的討論，但從法律上來說這是很困難的。前總統(tǒng)行政協(xié)定的法律授權是含糊的，它可以被視為一事一議的法律決策。部分聯邦法官可能會接受這項行政協(xié)定，認為總統(tǒng)批準這項協(xié)定能夠更好地服務于公眾（其中一個結果是奧巴馬政府批準的二氧化碳排放限制法規(guī)，當一名參議員試圖阻止迅速通過法案的時候，這份法規(guī)可以得到法庭的支持）。

美國的聯邦法律中涉及環(huán)保的條款復雜而冗長（特朗普政府利用法庭來保持《巴黎氣候協(xié)定》的活躍是一種政治手腕，這可以成為一個政治議題）。作者本人不是律師，但如果特朗普政府試圖無視《巴黎氣候協(xié)定》，那么在某些國際法庭上就會面對挑戰(zhàn)，也會成為特朗普外交政策上令人頭痛的事情，特別是當他出訪某些希望得到補償的發(fā)展中國家時。

比較好的途徑是，重新開展關于《巴黎氣候協(xié)定》的談判，重點討論用于抑制、逆轉二氧化碳濃度上升趨勢的技術解決方案，同時向全世界提供一種用于替代化石燃料、提高能源缺乏國家生活水平的可再生能源。當然，這里討論的是天基可再生能源。重新談判應當維持原先的時間表，也就是在2100年前完成化石燃料的替代。重新談判后的協(xié)議應當簡單地把2100年設定為完成替代的目標節(jié)點，并給出可以采用的可再生能源手段，其中應當包括天基可再生能源。每個國家都可以自由選擇最適合自己需求的方式組合。這樣的簡短協(xié)議最適合美國利益，可以在國會得到兩黨的一致支持。這也將給特朗普政府在面對所有能源需求國和最希望得到可再生能源的國家時，提供一個有力的外交談判工具。

3 美國對于天基可再生能源的需求

許多人尚且沒有意識到美國是需要得到天基可再生能源的。筆者先前曾經撰文討論過這些問題，下面是主要的結論：

化石燃料占美國能源消耗的80%。到2100年，美國人口將達到5億人，80%的美國人需要新的可再生能源作為電力和燃料，其余20%可以通過水電、地熱發(fā)電、核電、風電、地基太陽能、生物能源來提供，這一比例一如今日。

對風電來說，每平方千米商業(yè)風電場只能滿足77個美國人的年能源需求。如果要完全替代化石能源，美國需要在2100年前建設5.2×106km2的商業(yè)風電場，建立500萬個150m高的風力發(fā)電機來替代化石能源。

對于地基太陽能來說，每平方千米商業(yè)地基太陽能電站只能滿足580個美國人的能源需求。如果要完全替代化石能源，2100年美國需要在陽光強烈的西南部建設7.0×105km2的商業(yè)太陽能電場。考慮到當地地形總體來說較為崎嶇，幾乎所有新墨西哥州、亞利桑那州、內華達州、猶他州、德克薩斯州西部、加利福尼亞州南部的平坦地域都將被占用。如果考慮到云層遮蓋的問題，還需要相應增加太陽能電場面積。

對核能來說，每10萬個美國人需要1000MW的電力。如果要完全替代化石能源，美國需要在2100年前建立4000座1000MW的核電站。除了核廢料安全存儲的問題、核設施安全問題、鈾資源供應問題以及與核燃料增殖相關的外交政策問題之外，美國大陸能夠提供足夠冷卻水來支撐核電站適度擴張的地點并不多。

很顯然，在美國，風電、地基太陽能、大陸核電站不能恰當地替代化石燃料。如果把討論話題擴大到水電、地熱發(fā)電或生物燃料，結果也是一樣的。因此，美國需要另一種可再生能源解決方案。需要明確指出，真正急需的新解決方案就是天基可再生能源，因為別無選擇?？紤]到大氣中二氧化碳濃度的上升，正如在19世紀中葉美國被迫放棄木材燃料轉向煤炭一樣，美國如今將被迫轉向天基能源來取代化石燃料，以承擔法律和道義責任。天基太陽能發(fā)電將成為天基可再生能源的首選。

4 天基太陽能發(fā)電及其潛在的市場價值

天基太陽能的理念是在20世紀60年代提出的，是把地面上的太陽能發(fā)電場移到地球靜止軌道上。從這個軌道上，電力可以傳輸到地面接收站上，然后分配到當地電網。為了做到這一點，需要在軌道上設置1.55×104km2規(guī)模的太陽電池或反射鏡，來提供4.0×106MW的基本用電負載。天基太陽能電站的尺寸之所以和地基發(fā)電場有差異，是因為天基太陽電池可以全天時工作，地基電池只有20%的時間可以工作；而且在大氣層之外，陽光照射強度比大氣層之內高50%；天基太陽電池可以持續(xù)指向太陽，不會受到地面障礙物和道路的遮擋，因此可以使用更緊湊的電池陣。地球靜止軌道的周長達到2.65×105km，有充足的空間來布置電站平臺。

重開《巴黎氣候協(xié)定》談判、制定新的國家能源安全政策和修訂新的國家航天政策，這3個要素結合在一起，能夠使美國私營企業(yè)明確看到：到2100年，美國將需要一個能提供4.0×106MW基本電力的天基可再生能源產業(yè)。更進一步，未來全新修訂的《巴黎氣候協(xié)定》將要求在世界范圍內提供5.0×107MW的潛在能源市場，若要去除大氣中的超量二氧化碳、使大氣成分恢復正常，還需要在幾十年內額外提供2.0×107MW的能源，

當前，美國的平均工業(yè)電價是7美分/kWh。4.0×106MW的天基太陽能電站每年可以提供3.5×109kWh的電量，意味著每年產生24500億美元的產值。如果考慮到全球7.0×107MW的電力市場需求，年產值可以達到4.3×105億美元。假設有10%的產值用于建造和運行天基電力產業(yè)的航天后勤活動，意味著每年又會有40000億美元潛在的航天后勤市場營業(yè)額。

5 可再生能源關口站

正如前文所述，天基太陽能電站要把電力傳回地基接收站。出于設計上的考慮，典型接收站的規(guī)模是5.0×105MW，這意味著美國需要建設800個接收站來提供可持續(xù)的電力和燃料?？紤]安邊界，每個接收站占地大約205km2，全美需要占用1.64×105km2土地，這比地基太陽能電站需要的7.0×105km2少得多。

胡佛大壩發(fā)電能力為2.0×105MW，每個地基電力接收站是其2.5倍。為了取代化石燃料、提供天基可再生能源，需要在全美建設800個相當于2.5倍胡佛大壩的能源關口站，以支持地方經濟。一批新的、現代化的、大規(guī)模的21世紀城市將會在這些關口站周邊建立起來，從而充分享受可再生能源的優(yōu)勢，不再需要長距離輸電線路。經過精心設計，接收天線的下方依然可以進行農業(yè)生產，因為俯仰式天線可以透過85%的陽光，不像傳統(tǒng)太陽電池那樣不透明。將接收天線置于溫室頂部，可以實現工業(yè)化溫室食品生產，全年可為相應的城市提供不受氣候影響的、本地生產的新鮮食物。

在接收站內的天線下方建立工廠車間，可以直接獲得百兆瓦級的電力。這樣的事情在全美重復800次，可以有效實現美國能源生產、食品生產和工業(yè)的大幅度分散化，在各地產生可觀的新商業(yè)機會和工作崗位增長。這是天基能源所能帶來的顯著經濟優(yōu)勢，是任何地基可再生能源解決方案都無法相提并論的。美國將在整個21世紀從化石燃料轉向天基能源的過程中，持續(xù)地重建并現代化。

如果把這個模式推廣到全世界，就需要建設10000個這樣的可再生能源關口站，來滿足不斷增長的世界能源需求。若要去除大氣中的二氧化碳，還要再建設4000個能源關口站，以便在全球范圍內徹底取代傳統(tǒng)能源，轉向天基可再生能源。這是《聯合國氣候變化框架公約》協(xié)議所要求做到的，這也是修訂后的《巴黎氣候協(xié)定》可以做到的。

未來，在每一個能源關口站，政府從消費稅、所得稅和財產稅上得到的收入都會增加。美國現在有2.0×105億美元的龐大國債，州和地方政府的債務和未來的公共開支負擔在持續(xù)攀升。商業(yè)天基能源、空間采礦和空間制造產業(yè)，天基能源關口站帶來的新城市、工業(yè)、商業(yè)和工作崗位，將大幅度增加國家財富和收入。

這正是美國需要再平衡政府收入和開支、減少公共債務的時刻。同樣的事情也會發(fā)生在全世界，缺乏能源的國家接受天基能源關口站，就有可能為國民和國家實現經濟轉型，獲得新的國家財富，同時還能建立起新的現代化生活標準和經濟模式。地基可再生能源是無法做到這一點的。

6 NASA的探路作用

19世紀50年代，建設橫穿美洲大陸鐵路的想法在美國廣泛傳播開來，聯邦政府向西部派遣了勘探隊伍，勘探所需自然資源的位置，測繪可能的路線。后來人們實施了類似的工作來測繪海岸線、內河和湖泊航線圖。這些案例體現了早期聯邦政府為了幫助私營企業(yè)開拓新物理和前沿技術所發(fā)揮的重要作用。

從事天基可再生能源工作，需要建立新的美國國家天基能源、采礦和制造產業(yè)。為了減少私人投資風險、提高公眾信心，NASA應該啟動一項有益于這些工作的探路任務，探明月球和小行星資源，推動關鍵技術的發(fā)展和成熟。NASA正在考慮重返月球和前往近地小行星的載人任務，這些工作如果能與NASA正在實施的科學技術研發(fā)工作相結合，將使NASA處于一個很有利的定位上，可以承擔積極進取的載人航天計劃，引領美國私營企業(yè)實現常態(tài)化載人商業(yè)航天活動。

7 國家航天委員會

為了啟動這項工作，需要特朗普政府發(fā)揮強健、有效的領導作用。重建由副總統(tǒng)領導的白宮國家航天委員會，對于制定廣泛的跨部門規(guī)劃是合理的，這種計劃對美國成為一個真正商業(yè)載人航天強國是必要的。雖然本文的討論集中在天基太陽能發(fā)電上，但這種規(guī)劃對類似于空間采礦、空間制造、空間補給來說同等重要，需要新的或修訂的國家航天政策、立法、跨部門合作和預算計劃等工作。在整個特朗普政府中，國家航天委員會對于成功啟動美國轉向一個真正載人航天活動國家的進程是必要的，NASA的探路計劃將在其中起到引導作用。

8 結論

美國一定要成為一個載人航天強國，而不僅僅是進行航天探索的國家。為了達到這個目標，需要給出具有說服力的經濟理由。美國無可置疑地需要從化石燃料轉向天基可再生能源，這為特朗普政府接受這一重大轉型提供了判據。本文所列舉的巨大效益并不僅僅是為了美國，也是為了全世界。美國需要在經濟和技術上更加強大，對世界很多地方來說，能源匱乏帶來的災難會使之被拋離主流。人類文明將在21世紀真正的航天文明出現時更上一層樓。

我們可以想象自己回到1917年。當時，航空技術還在襁褓之中，飛機是用木材和布匹支撐的。如果對當時美國頂尖的航空工程師解釋說，美國能在1個世紀內做到年產數千架飛機，每架飛機都可以運載數百人，并在8km高度以高亞音速飛行數千千米而不用加油，恐怕沒有人會相信，更不會相信數千架這種飛機可以晝夜按航線飛行，幾年都不會出事故；遠程飛機可飛過半個地球，乘客可以在這期間看電影或者睡覺。然而，這些令人激動的幻想如今已經成為現實。

能夠與之相提并論的航天革命正在發(fā)端，希望美國人能領導這次革命。這也是特朗普政府可以把握的機會，希望夢想可以成真。

作者麥克·斯尼德是資深工程師，美國航空航天聯合會院士，是航天研究所負責人和專欄作家。

俞盈帆/編譯