能源是社會發(fā)展和技術進步的物質基礎。從某種意義上講,人類社會得以發(fā)展離不開優(yōu)質能源的出現(xiàn)和先進能源技術的利用。能源技術的每一次突破,都引起社會生產方式的巨大變革,。蒸汽機的發(fā)明、電力和原子能的應用,推動了近代社會的產業(yè)革命,。當前,世界正在經歷一次新的技術革命,其基礎技術之一就是新能源,它的廣泛應用必將對未來人類社會產生深刻的影響。
能源系統(tǒng)是從資源開采,、運輸,、儲存、加工轉換,、輸送,、分配到最終使用的各個環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)。今后世界的能源發(fā)展戰(zhàn)略是發(fā)展多元結構的能源系統(tǒng)和高效,、清潔的能源技術,。隨著航天技術的迅速發(fā)展,對地觀測衛(wèi)星、通信衛(wèi)星,、導航定位衛(wèi)星,已經在能源開發(fā)中得到廣泛應用, 取得了明顯的效益,促進了能源產業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。為了保持人類社會持續(xù)發(fā)展,人們已在不斷探索開發(fā)空間資源,向太陽要能,向月球要能,不斷給航天技術提出新的課題,同時也給航天技術的發(fā)展帶來了新的契機,。
航天勘探化石資源
對地觀測衛(wèi)星在能源工業(yè)中的應用,已顯示出了前所未有的廣闊前景,已成為煤炭,、石油、水利,、電力,、地礦開發(fā)應用的重要手段。據世界能源會議估計,全世界的煤炭資源總計136000億噸,其中經勘探實測的儲量是19639億噸,經濟可采儲量為9000億噸,。80年代以來,對地觀測衛(wèi)星的遙感資料開始應用于煤田地質勘探,煤炭儲量的全面普查,、開采的地質條件研究以及煤質的調研與預測。通過衛(wèi)星遙感進行儲量分類,不僅能反映出儲量的確實性,而且還能從經濟因素,、工程因素以及地質因素進行綜合研究,開發(fā)合適的軟件與數(shù)據庫,。
如何認識現(xiàn)狀,規(guī)劃未來,已成為煤炭發(fā)展中的重要問題。我國利用國土普查衛(wèi)星開展了航天遙感,、航空遙感和地面觀測三層空間的同步遙感試驗,使之形成多方面,、多時相、多波段,、多種遙感手段的組合試驗,取得了重大成果,并已將它應用于生產實踐,。在大興安嶺西坡7萬平方公里的范圍內,圈定了18個含煤盆地,其中新發(fā)現(xiàn)的4個,新增煤預測儲量540億噸,。在內蒙古穆珠沁草原上,發(fā)現(xiàn)烏尼特特煤田,經鉆探驗證,煤層厚40米,煤儲量達34億噸,進行大比例尺煤田地質填圖作業(yè),工效比規(guī)定定額提高1～7倍。這種方法通常提高工效3倍,成本降低40%～60%, 大幅度地提高了地質認識程度,已經在24個盛市,、自治區(qū)推廣,并取得了大面積豐收,。經過多年實踐,航天技術為煤炭工業(yè)服務的結合點是煤田地質現(xiàn)代化。煤田地質勘探,實質上是要獲取煤田地質信息,。應用航天遙感找出面,、物探定線、鉆探驗點的優(yōu)化組合方式,促進煤田地質現(xiàn)代化,重新認識含煤構造,使其全面應用于煤田地質勘探,。
石油是當今世界最主要的能源支柱之一,。我國擁有246個沉積盆地,沉積巖總面積達到545 萬平方公里,其中,陸地424萬平方公里,海上121萬平方公里。估計沉積巖總體積為2203萬立方公里,生油巖的體積約504萬立方公里,油氣遠景資源相當豐富,。目前我國已勘探過的地區(qū)只占很小的比例,其潛力非常之大,。如何利用航天遙感技術為油氣勘探服務,對探明儲量促進石油產量大幅度增長,具有極其重要的戰(zhàn)略和經濟意義。實踐證明,將衛(wèi)星遙感技術與傳統(tǒng)的地質地貌,、地球物理,、地球化學等分析方法有機結合起來綜合運用,并能更加有效地發(fā)揮衛(wèi)星遙感在油氣勘探中的作用,才能取得理想的勘查效果。中國石油地質專家根據衛(wèi)星圖像上的色調特征,、紋理特征,、水系特征等解釋標志,解釋出與油氣資源有關的局部構造和隱伏構造。通過野外地質驗證,確定這些局部構造的含油氣遠景,為進一步勘探提供靶區(qū),。在塔里木盆地,、柴達木盆地、準噶爾盆地,、吐魯番—哈密盆地,、河南省的東浦凹陷、南陽凹陷,、南方的思茅—蘭坪盆地以及湖南省西北部等地,用衛(wèi)星遙感技術找到了很多勘探靶區(qū),有的已見到工業(yè)油氣流,有的正準備進行地震勘探,。近年來,已發(fā)展到利用航天遙感建立起數(shù)字化資料數(shù)據庫,并同時利用地理信息系統(tǒng)技術,綜合分析得出含油氣的有利地區(qū),因而達到了利用衛(wèi)星遙感技術直接找油的目的。
此外,對地觀測衛(wèi)星技術在石油,、天然氣管道工程,、油田環(huán)境監(jiān)測和地形圖修測中也有著廣泛的應用前景,定能產生巨大的社會效益和經濟效益。
對地觀測衛(wèi)星在水利,、水力發(fā)電,、火力發(fā)電上均得到廣泛應用。衛(wèi)星遙感技術在水利,、水電調查,、規(guī)劃和工程勘測中,對于改進灌溉、防洪等方面均收到較大的效果。水電工程建設中,重要的前期工作是:對水淹沒的損失調查及庫區(qū)移民,、土地資源調查,、工程地質構造分析、熱電廠冷卻池溫度場分析等,這些均可通過衛(wèi)星遙感圖像資料獲得,。中國在三峽工程的論證中,亦利用衛(wèi)星遙感圖像資料發(fā)揮了重要作用,。
能源信息的衛(wèi)星傳輸
隨著經濟增長速度加快,能源緊缺愈加深重,加強能源資源管理已成為緊迫的任務。當今,衛(wèi)星通信的發(fā)展,已成為衡量一個國家能源現(xiàn)代化管理水平的重要標志之一,。
電力工業(yè)生產具有不同于其它行業(yè)生產的特殊性,電力生產的特點是發(fā)電,、送電、變電,、配電,、用電在同一時刻完成。為了保證電網能夠安全而又經濟地運行,電力調度人員要通過計算機對電網進行實時指揮,、調度,。而電力系統(tǒng)通信是為電力生產服務的,是電力生產的重要組成部分,也是電網自動化和管理現(xiàn)代化的基礎。我國電力系統(tǒng)的一些大型水電站往往處于水電資源豐富的深山峽谷,這些地區(qū)大都經濟落后,交通不便,通信不發(fā)達,。為了解決這些邊遠地區(qū)的通信問題, 建立一個高度可靠和靈活的衛(wèi)星專用通信網,是確保電網安全,、優(yōu)質運行必不可少的技術手段。為此,中國電力衛(wèi)星通信網發(fā)展較快,已有20多個地球站在網內運行,。其分布范圍東到吉林省的云峰水電站,西到拉薩,、烏魯木齊,南到海口,北到內蒙古自治區(qū)的伊敏,形成了以北京為中心的星狀網,根據需要還可以構成網狀通信網,為邊遠地區(qū)提供通信服務,。實踐證明,衛(wèi)星在電力通信中的電話,、傳真、數(shù)據,、圖像傳輸?shù)男Ч钊藵M意,并且還具有投資孝見效快,、運行與維護以及管理都十分簡便的獨特優(yōu)點。在應用衛(wèi)星通信以前,有的大型水電工地在建設初期僅靠無線電報進行有限的通信,速度慢,、效率低。應用衛(wèi)星通信以后,每天可以傳遞大量的生產信息和各種報表,使工作效率和生產速度大大提高,同時也獲得了直接和間接的經濟效益,。
在石油工業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的進程中,解決石油天然氣總公司與各油田以及各油田之間的信息傳輸問題,顯得越來越重要,。中國石油衛(wèi)星專用通信網,現(xiàn)已初步建成了以固安地球站為中心的星形網絡結構,實現(xiàn)了總公司與相距遙遠的16個油田的迅速、穩(wěn)定,、可靠的通信,極大地改善了通信難的狀況,。并為及時了解石油勘探開發(fā)現(xiàn)場的生產狀況,實時指揮生產調度提供了可靠保證。與此同時,也為加強和促進石油企事業(yè)單位之間的信息交流提供了方便條件,。隨著石油工業(yè)的發(fā)展,石油科研水平的不斷提高,以及石油系統(tǒng)計算機網絡的建立和應用,逐步實現(xiàn)資源和信息共享, 將使各油田至總公司之間的數(shù)據傳輸量不斷增加,。尤其是由于勘探、開發(fā)、鉆井及其它應用數(shù)據庫的普遍建立,數(shù)據庫遠程查詢,大批量數(shù)據的遠程調度和傳輸,遠程文件交換,、電子郵件等網絡應用會急劇增多,對衛(wèi)星通信提出了新的要求,。小型地球站將迅速得到應用與發(fā)展,石油專用衛(wèi)星通信網將由單一的星形網發(fā)展成星形與網狀相結合的結構,這樣既保證了各石油企事業(yè)單位與總公司之間的信息傳輸直達通路,又能為網內各石油企事業(yè)單位之間提供橫向聯(lián)系線路,以滿足他們之間的各種信息的需要。
我國煤炭資源分布偏西,而經濟發(fā)展重心卻偏東,這就給運輸帶來了嚴重困難,。常規(guī)通信手段已很難滿足要求,必須迅速建立煤炭工業(yè)衛(wèi)星通信專用網,便可緩解這一矛盾,。煤炭衛(wèi)星專用通信網,將覆蓋全國各省市,是一個以大、中,、小型及微型地球站相結合的復合型衛(wèi)星通信專用網, 解決煤炭工業(yè)管理,、指揮調度。利用這套系統(tǒng)還能以數(shù)據同播方式,從北京向各煤炭企,、事業(yè)單位廣播一些煤炭生產經營情況,發(fā)布消息,傳播經濟信息資料等,。衛(wèi)星通信將促進煤炭工業(yè)經濟新的增長。
向空間索取新能源
目前,人類所消耗的能源,絕大部分來自于一次性化石燃料,即石油,、煤炭和天然氣,。從長遠觀點看,這類能源終有一天會被消耗殆荊隨著人口激增、工業(yè)無節(jié)制地發(fā)展,人類對能源的需求將不斷增長,。預計到下世紀中期,世界能源消耗量將比現(xiàn)在增加兩倍,。如無特殊重大發(fā)現(xiàn),估計地球上可供開采的煤和石油,只能維持200～300年。還有人估計,地球上石油蘊藏量為2兆桶,從1900 年左右開始使用,如果加以控制,預計到2050年石油將消耗殆荊而且,一次性化石燃料使用量增加, 會造成越來越嚴重的環(huán)境污染和溫室效應,。目前人類正在急于尋找新的再生潔凈能源并加以開發(fā)和應用,。
在地球上面臨能源危機和航天技術已經獲得高度發(fā)展的今天,向空間索取新的能源不但是必要的,而且也是可能的。向空間索取能源至少存在兩種途徑,。一是在空間采集太陽能并以波束的形式傳輸?shù)降孛?二是從地外天體采集核聚變燃料,。
太陽輻射(太陽能)是對人類至關重要的一種能源。太陽輻射總功率為3.82×1023千瓦,。在宇宙空間,利用太陽能發(fā)電的優(yōu)點是能充分發(fā)揮靜止軌道資源的作用,靜止軌道每年有 99%以上的時間都能接收到太陽光的照射,比地面日照時間要大1倍多,同樣面積的太陽能利用率約為地面的5倍,。同時在空間微重力環(huán)境下,具有構筑大型太陽電池陣或太陽能收集器的良好條件。對于直接從空間采集太陽能,可以采取兩種方案,。一種方案是建造太陽能發(fā)電衛(wèi)星,即在地球軌道上部署大型太陽能采集器,然后把采集到的太陽能以微波的形式定向傳送到地面,地面接收站通過整流天線再把微波能轉換成可以利用的電能,。另一種方案是在月球表面上安裝太陽能采集器, 把所采集到的能量送往地面。
對于從地外天體獲取核聚變燃料,主要是采用月球上的氦3作為反應堆的燃料,。在月球上,通過采用熱離子和溫差發(fā)電機等高效復合能量轉換系統(tǒng),便可直接將核能轉變?yōu)殡娔?。設想中的月球核能源基地,將包括核燃料供應廠、核發(fā)電設施和輸電設施,。月球上的電力,通過高傳輸效率的短波長激光束,也就是紫外線區(qū)的激光,輸送到靜止軌道上的能量中繼衛(wèi)星,。在中繼衛(wèi)星上, 電能被轉換成在空氣中具有高傳輸效率波長的激光,然后再傳送到位于地球上的接收站,由接收站再將能量分配到各個地區(qū)供用戶使用。此外,也可將氦-3從月球上開采出來運至地球,。
據預測,從月球的礦石中提取的氦-3,足以滿足整個地球400年能源的需要,用氦-3為原料,核反應堆成本降低一半,而且無污染,。為了建立月球核能源基地,有許多工程技術問題,有待人們盡快研究解決,。例如超高效能量轉換系統(tǒng)、空間用核反應堆,、空間機器人,、大功率輸出的高效激光生成設備、接收設備,、激光傳輸?shù)陌踩夹g等,。
世界各國科學家們在發(fā)展空間能源系統(tǒng)方面,已經做了大量有意義的工作。在此基礎上,已經意識到世界各國在航天領域加強國際合作勢在必行,。一方面需要繼續(xù)進行有關技術和系統(tǒng)的可行性研究,另一方面要促進社會各界對從空間獲取能源的必要性和可行性的了解和支持,因為這是一件造福人類,、造福子孫后代的偉大事業(yè)。一旦取得突破,人類就不再會受到地球能源短缺的困擾,人類就可以源源不斷地從空間獲取潔凈的能源,。
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作者：
楊照德
編輯：
劉嵩
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