太空商业,梦想照进现实

近年来,日本发射的小行星探测器“隼鸟2号”在对小行星“龙宫”的探测过程中获得许多新的发现。与此同时,在小行星表面进行定点着陆并进行内部样品采集等世界首创的技术引发广泛关注。

太空技术的应用有望推动向宇宙深处的探索以及地球上相关商业活动的展开。日本的太空技术今后会怎样发展?本文带您追寻日本新一代太空技术的最前线。

以水为燃料的卫星发动机——环保且低价

日本表示将参加美国的“阿耳忒弥斯计划”,计划在2024年实现载人登陆月球,并在2030年代实现载人登陆火星。按照计划将于2024年在月球附近建设名为“门户”(Gateway)的空间站。

另外,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)对利用固体燃料火箭“艾普斯龙(Epsilon)”将超小型探测器送入绕月轨道的项目展开讨论,并力争于2020年代前半期完成发射。

人们认为月球上有丰富的水资源,希望能够利用这些水资源开展“深空开发商业”。

东京大学大学院新领域创成科学研究科的小泉宏之副教授等人开发出一种以水为推进剂的超小型卫星离子发动机。通过对气态水照射微波使其变成等离子状态并释放,从而为离子发动机提供推动力。目前可使卫星飞行速度达到每秒250米。

如果要登陆比月球更远的行星,需要将燃料消耗量降低4倍。通过改良内部磁石的强度、用于将水转换成等离子体的微波的波长以及电压的大小和栅极等可以将输出功率提高约2倍,燃料消耗量降低1.5倍。因此,为了实现其实用化,除发动机以外,周边设备的开发也在同步进行中。与其他国家的发动机相比,其输出功率和燃料消耗量等性能相对较低,但抗氧化能力强且结构简单。因此,最适于用于开发以水为推进剂的离子发动机。

传统的离子发动机以有害物质和有毒气体作为推进剂,而且操作困难,而使用水作为推进剂不仅操作简单、安全,而且也不会污染太空环境。

小泉副教授表示,“需要研发出一种能够前往各天体的低成本发动机,而以水为推动力的离子发动机使之变为可能。”

太空太阳能发电站,通过微波向地面输电

现在,一般使用火力发电和核能发电,但是化石燃料的枯竭和地球环境的恶化成为一大课题,另外,利用风力和水力等自然能源发电的效率较低。为解决这些课题,有研究者正在开发能够在太空中利用太阳能发电的人造卫星“太空太阳能发电站(SPS)”,可以说这是一种使用自然能源进行大规模发电的未来技术。

SPS的原理是将人造卫星上安装的太阳能电池产生的电力通过微波传送到地面,通过地球上的受电设备接收并从中获取电能。计划将卫星设置在距离地球3.6万公里的上空的“静止卫星轨道”上,在那里可以全天持续接受到太阳光照射。

1-4.jpg

(图片来自百度)

由于该轨道的运行周期和地球自传周期一样都是24小时,从地面上看卫星就像是静止的,因此可以向同一个地方持续供电。设备运行率在90%以上时,二氧化碳的排放量仅为火力发电的几十分之一。

1-2_副本.png

SPS面临的一大课题是需要巨额的预算和广阔的占地面积。使用微波进行无线传输的效率取决于频率、天线之间的距离和大小。想要在3.6万公里的输电距离实现90%以上的输电效率,输电和受电天线的直径需要达到2~2.5公里。因此,要实现其实用化,除了基础技术的开发外,面向商业化的研究也很重要。

作为SPS的基础技术,京都大学生存圈研究所的篠原真毅教授等人正在研究利用从输电天线释放的电波进行无线输电的“空间传送型无线供电(WPT)”技术。

目前使用飞行机器人(无人机)从上空进行无线输电,输电效率已经能达到60%。另外,他们还致力于SPS的设计和微波受电天线的开发。筱原教授表示,“希望用技术的挖掘取代石油的挖掘,借助微波这一资源建立发电售电的商业模式。”

以下内容为对东京大学大学院新领域创成科学研究科小泉宏之副教授的采访

在月球和火星建造火箭工厂

1-3.jpeg

小泉宏之副教授(图片来自newswitch.jp)

——搭载以水为推进剂的离子发动机的超小型人造卫星能到达火星吗?

小泉:目标是先去月球然后再去火星。如果去比月球更远的天体,发动机的性能需要比现在提高4倍。

——人们认为月球上存在水。

小泉:要想利用月球上的水,需要调查可开采的储量和地点。从科学的角度看月球也很有趣。

——如何有效利用天体中的水?

小泉:如果能确认天体中存在水,并可以将其作为燃料使用的话,就可以在移动过程中补给水作为燃料,从而到达更远的行星。

——在太空中也可以制造火箭吗?

如果能在月球上制造火箭,去火星也会变得容易吧。逃出地球的引力需要耗费能量。如果能在月球或火星上建成太空工厂制造火箭等,也许能构想出与地球上不同的制造方法。

——日本表示将参与“阿耳忒弥斯计划”。

小泉:参与阿尔忒弥斯计划的想法和行动大约在3年前就有了。“门户”也需要比国际空间站(ISS)更高的安全性。与此同时,其功能也会大幅增加。

新一代太空技术】日本政府下一阶段的太空基本计划制定了强化为卫星定位、太空探索等太空项目提供支撑的产业基础与科技基础的方案,其中包括SPS和液化天然气(LNG)推进系统的实证试验,可重复使用的太空运输系统的研发等领域,由于涉及许多有关今后扩大太空开发的措施,因而备受关注。除了以水为推进剂的离子发动机和SPS以外,高功率低耗能的“激光核聚变火箭”的开发,以及在月球表面分解水生成氢气和氧气的“水电解装置”的研究等也在同步进行中。

参考日本报道原文:https://newswitch.jp/p/22172

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注