中国能源二连唱：去除二氧化碳，开发空间太阳能

先来分离二氧化碳

碳中和，这个话题我们不用赘述~目前甚至排碳指标都开始拍卖了；为什么呢？因为二氧化碳作为一种废气，是造成温室效应，全球变暖的直接原因；所以，在双碳目标下，“捕获”二氧化碳（CO2），发展低能耗、环境友好的CO2选择性分离膜具有重要意义和价值。最近，中国科学院大连化学物理研究在纯相共价有机框架气体分离膜方面取得新进展，以二维共价有机框架（COFs）纳米片为分离膜构筑基元，诱发错排缩孔效应，成功将COFs的孔径缩小，实现小分子气体CO2的高效分离，相关成果已经发表在《德国应用化学》上。

长久以来，针对混合气体的高效分离，研究人员将目光聚焦在拥有较小孔径的金属—有机框架材料上，而COFs由于孔径大于0.8纳米，一直被用作液体分离，难以精确分离小分子气体。为了构建具有高效CO2分离性能的纯相二维COFs膜，研究团队提出错位堆叠COFs纳米片以缩小孔径的设想。

要拆解重新组装，必须得有极薄的COFs纳米片。在前期研究基础上，该团队以三种不同表面化学和孔径的层状COFs材料为研究对象，发展出一种弱酸性溶剂剥层，并辅以温和机械外力的方法，将厚度约3000纳米的COFs材料剥离为厚度约2纳米、尺寸达微米级的系列超薄纳米片层。而后，通过精确控制纳米片错排组装策略，成功构建出孔径尺寸适合CO2分离的纯相COFs膜；此外，COFs有丰富的表面官能团，能够选择识别和吸附CO2。

实验结果表明，COFs纳米片错排缩孔效应与骨架对CO2选择性吸附特性的协同作用诱发了气体在膜内表面扩散机制，实现了CO2/氢气（H2）混合气中大分子CO2优先渗透分离，分离性能达到工业应用需求。

中国空间站，让美国眼馋的太阳能电池

电能是空间站的生命力,整个空间站的技术设计将取决于电源系统发电和配电方面的设计方案。很多人很好奇，中国天宫空间站重达90吨，空间站那么大，啥电池带得动？这就是天宫空间站的黑科技——柔性砷化镓太阳能电池。

太阳能电池的发现是人类能源史上的一次革命，发展前景十分广阔。III-V族半导体材料是继锗(Ge)和硅(Si)材料之后发展起来的一类重要太阳能电池材料，这类材料有许多优点，如具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，只需几微米的厚度就能充分吸收太阳光等。而砷化镓是III-V族半导体材料的典型代表，禁带宽度Eg是1.43eV，（理论计算表明，当Eg在1.2~1.6eV范围时，转换效率最高）与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。

和硅材料太阳能电池相比，砷化镓太阳能电池具有更高的光电转换效率，砷化镓太阳能电池有单结型、双结型和三结型，其中三结砷化镓太阳能电池光电转换效率可以达到50%以上，远远高于Si太阳能电池的最高理论效率23%。

而且砷化镓材料太阳能电池具有明显的优势，在可见光范围内，砷化镓材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光，砷化镓太阳能电池只需5～10μm的厚度，而硅太阳能电池则需大于150μm。因此，砷化镓太阳能电池能制成薄膜结构，质量大幅减小。而我国正是采用的三结砷化镓太阳能电池组成的太阳能光伏发电系统，它由4对太阳翼帆板组成，放置在实验舱末端的桁架上。

中国采用的三结砷化镓太阳能电池还是柔性电池，这是三结砷化镓太阳能电池在全球首次使用。由三结砷化镓太阳能电池组成的柔性太阳电池翼，功率重量比高，光电转换效率可达30%以上，供电功率甚至能够达到100千瓦左右。

很多人对这个没有概念，国际空间站这个400吨的大胖子，三个实验舱，仅仅31个科研机柜；而两个巨大桁架上的4对太阳能电池板，供电功率仅有90千瓦，而且还必须外挂散热片才可以，这也意味着中国天宫空间站供电能力反超国际空间站。

尽管发电能力可提高1倍，但柔性翼收拢体积则减少了20%，柔性翼双翼展开面积可达134平方米，全部收拢后只有一本书的厚度，仅为刚性太阳翼的1/15，大幅扩大了空间站各舱段的有效空间，提升了安装载荷能力，满足空间站各项科学试验需求。

中国空间太阳能电池

国际上只有中国、美国、日本等少数几个国家真正开展空间太阳能电站地面验证。而在我国，有多只团队也在紧锣密鼓地开展相关试验。在太空中建设太阳能电站，听起来很科幻，现实同样不容易。早在2010年8月，在中国空间技术研究院举办的空间太阳能电站技术研讨会上，12位院士和百余位相关领域专家提出了我国空间太阳能电站发展路线图。

根据路线图，2030年开始我国将建设兆瓦级小型空间太阳能试验电站，到2050年具备建设吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。其中第一阶段又具体分三步，首先开展关键技术的地面及浮空器试验验证，其次开展高空超高压发电输电验证，最终开展空间无线传能试验。

考虑到目前的技术水平及条件受限，直接在3.6万公里的同步轨道做试验还不现实，就先在平流层建立起一个简单的太阳能电站。根据其计划，第一步先将气球放到300米低空开展试验；下一步再让气球升到2千米高空；最后，才会将气球平台升入平流层中，建立平流层太阳能电站，实现平流层的太阳能收集、储能，并以微波和激光的方式向无人机充电及地面的应急供电。

而后者是一种基于球面线聚焦原理的聚光方案。在西安电子科技大学校园内，一座巨大的三角形塔拔地而起。在塔中心，距离地面55米高处有四个半球面的聚光装置，每个直径约6.7米。当太阳光射入球形反射面上后，会汇集到一个固定的聚光区，再通过太阳能电池产生直流电，随后转成微波，通过发射天线传输到地面。

目前只是概念吗？？？

其实，研究建设空间太阳能电站的国家不仅只有中国，这一概念最早由美国科学家在1968年提出。所谓空间太阳能电站，就是在空间将太阳能转化为电能，再通过无线能量传输方式传到地面的电力系统。之所以提出建设空间太阳能电站，因为人类对新型清洁能源需求变得越来越迫切。但在新型清洁能源中，核能因其具有高风险性从而争议不断，风能、水能的稳定性又会受到季节和地理位置的影响。太阳能由于具有总量巨大，且具有取之不尽的优势，可成为未来能源供给的支柱。

相比于地面太阳能电站，空间太阳能电站不受大气衰减、季节昼夜变化及地理位置的影响。在西北地区，一平方米太阳能电池可产生0.4千瓦电，而在日照较少的重庆，仅产生0.1千瓦电。但在距离地球表面约3.6万公里的地球同步轨道上，发电功率可达10~14千瓦。

早在20世纪70年代和90年代，国际上分别发生几次能源危机，美国继而开始资助空间太阳能电站研究项目，并相继提出多个方案。日本从20世纪80年代开始研究，计划在2030年完成1吉瓦商业运行系统的技术线路图。空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。他指出，目前中小卫星需要携带太阳帆板进行充电，但其效率低，因为当卫星旋转到地球阴影区便无法充电。如果有了“太空充电桩”，卫星则不再需要太阳帆板，只需要新增一条接收天线，充电时飞过去，充完电再飞回来。

饱受争议的空间太阳能

实际上，空间太阳能电站概念自提出以来就饱受争议，具体表现在技术、成本、安全上。早在2011年，国际宇航科学院发布首份空间太阳能电站可行性和前景分析的国际评估报告。报告乐观地估计，空间太阳能电站不仅在技术上可行，且在未来30年内也在经济上可行。但就目前来看，技术上是否可行，科学界还存在质疑。

例如，空间太阳能电站的远距离无线能量传输载体有微波和激光两种，相较而言，微波的能量传输效率更高、云层穿透损耗低、安全性较好，而且技术相对成熟。因此，现行的方案多以微波传输为主。

空间太阳能电站是一个非常庞大的系统工程，其重量、尺度方面远超现有航天设施，因此人们将其称为航天和能源领域的“曼哈顿工程”。例如，即使一个小型的兆瓦级空间太阳能电站的重量，就比现在的国际空间站要大，再考虑到发射所需要的大型运输火箭、在轨组装难度等方面不可同日而语。

中国空间技术研究院研究员王立等人分析提出了空间太阳能电站发展需要的9项关键技术，包括空间超大型可展开结构及控制技术、空间高效太阳能转化及超大发电阵技术、空间超大功率电力传输与管理技术、无线能量传输技术、轨道间转移技术及大功率电推进技术、空间复杂系统在轨组装及维护技术、大型运载器及高密度发射技术、电站系统运行控制及地面接收管理技术和电站发展的基础材料和器件研究。所以鉴于空间太阳能电站商业运行的前期投入和建设难度巨大，以及国际舆论对空间大功率系统较为敏感，专家建议，开展国际合作是发展空间太阳能电站的重要途径。

（文章内容来源于网络）

其实无论是何种方式，电力、能源都是人类前进的基础动力，而各类电池的不断发展，也是我们始终会关注的科学领域~

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