能源是社会发展和技术进步的物质基础。从某种意义上讲,人类社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的利用。能源技术的每一次突破,都引起社会生产方式的巨大变革。蒸汽机的发明、电力和原子能的应用,推动了近代社会的产业革命。当前,世界正在经历一次新的技术革命,其基础技术之一就是新能源,它的广泛应用必将对未来人类社会产生深刻的影响。

能源系统是从资源开采、运输、储存、加工转换、输送、分配到最终使用的各个环节组成的系统。今后世界的能源发展战略是发展多元结构的能源系统和高效、清洁的能源技术。随着航天技术的迅速发展,对地观测卫星、通信卫星、导航定位卫星,已经在能源开发中得到广泛应用, 取得了明显的效益,促进了能源产业现代化的发展。为了保持人类社会持续发展,人们已在不断探索开发空间资源,向太阳要能,向月球要能,不断给航天技术提出新的课题,同时也给航天技术的发展带来了新的契机。

航天勘探化石资源

对地观测卫星在能源工业中的应用,已显示出了前所未有的广阔前景,已成为煤炭、石油、水利、电力、地矿开发应用的重要手段。据世界能源会议估计,全世界的煤炭资源总计136000亿吨,其中经勘探实测的储量是19639亿吨,经济可采储量为9000亿吨。80年代以来,对地观测卫星的遥感资料开始应用于煤田地质勘探,煤炭储量的全面普查、开采的地质条件研究以及煤质的调研与预测。通过卫星遥感进行储量分类,不仅能反映出储量的确实性,而且还能从经济因素、工程因素以及地质因素进行综合研究,开发合适的软件与数据库。

如何认识现状,规划未来,已成为煤炭发展中的重要问题。我国利用国土普查卫星开展了航天遥感、航空遥感和地面观测三层空间的同步遥感试验,使之形成多方面、多时相、多波段、多种遥感手段的组合试验,取得了重大成果,并已将它应用于生产实践。在大兴安岭西坡7万平方公里的范围内,圈定了18个含煤盆地,其中新发现的4个,新增煤预测储量540亿吨。在内蒙古穆珠沁草原上,发现乌尼特特煤田,经钻探验证,煤层厚40米,煤储量达34亿吨,进行大比例尺煤田地质填图作业,工效比规定定额提高1～7倍。这种方法通常提高工效3倍,成本降低40%～60%, 大幅度地提高了地质认识程度,已经在24个盛市、自治区推广,并取得了大面积丰收。经过多年实践,航天技术为煤炭工业服务的结合点是煤田地质现代化。煤田地质勘探,实质上是要获取煤田地质信息。应用航天遥感找出面、物探定线、钻探验点的优化组合方式,促进煤田地质现代化,重新认识含煤构造,使其全面应用于煤田地质勘探。

石油是当今世界最主要的能源支柱之一。我国拥有246个沉积盆地,沉积岩总面积达到545 万平方公里,其中,陆地424万平方公里,海上121万平方公里。估计沉积岩总体积为2203万立方公里,生油岩的体积约504万立方公里,油气远景资源相当丰富。目前我国已勘探过的地区只占很小的比例,其潜力非常之大。如何利用航天遥感技术为油气勘探服务,对探明储量促进石油产量大幅度增长,具有极其重要的战略和经济意义。实践证明,将卫星遥感技术与传统的地质地貌、地球物理、地球化学等分析方法有机结合起来综合运用,并能更加有效地发挥卫星遥感在油气勘探中的作用,才能取得理想的勘查效果。中国石油地质专家根据卫星图像上的色调特征、纹理特征、水系特征等解释标志,解释出与油气资源有关的局部构造和隐伏构造。通过野外地质验证,确定这些局部构造的含油气远景,为进一步勘探提供靶区。在塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番—哈密盆地、河南省的东浦凹陷、南阳凹陷、南方的思茅—兰坪盆地以及湖南省西北部等地,用卫星遥感技术找到了很多勘探靶区,有的已见到工业油气流,有的正准备进行地震勘探。近年来,已发展到利用航天遥感建立起数字化资料数据库,并同时利用地理信息系统技术,综合分析得出含油气的有利地区,因而达到了利用卫星遥感技术直接找油的目的。

此外,对地观测卫星技术在石油、天然气管道工程、油田环境监测和地形图修测中也有着广泛的应用前景,定能产生巨大的社会效益和经济效益。

对地观测卫星在水利、水力发电、火力发电上均得到广泛应用。卫星遥感技术在水利、水电调查、规划和工程勘测中,对于改进灌溉、防洪等方面均收到较大的效果。水电工程建设中,重要的前期工作是:对水淹没的损失调查及库区移民、土地资源调查、工程地质构造分析、热电厂冷却池温度场分析等,这些均可通过卫星遥感图像资料获得。中国在三峡工程的论证中,亦利用卫星遥感图像资料发挥了重要作用。

能源信息的卫星传输

随着经济增长速度加快,能源紧缺愈加深重,加强能源资源管理已成为紧迫的任务。当今,卫星通信的发展,已成为衡量一个国家能源现代化管理水平的重要标志之一。

电力工业生产具有不同于其它行业生产的特殊性,电力生产的特点是发电、送电、变电、配电、用电在同一时刻完成。为了保证电网能够安全而又经济地运行,电力调度人员要通过计算机对电网进行实时指挥、调度。而电力系统通信是为电力生产服务的,是电力生产的重要组成部分,也是电网自动化和管理现代化的基础。我国电力系统的一些大型水电站往往处于水电资源丰富的深山峡谷,这些地区大都经济落后,交通不便,通信不发达。为了解决这些边远地区的通信问题, 建立一个高度可靠和灵活的卫星专用通信网,是确保电网安全、优质运行必不可少的技术手段。为此,中国电力卫星通信网发展较快,已有20多个地球站在网内运行。其分布范围东到吉林省的云峰水电站,西到拉萨、乌鲁木齐,南到海口,北到内蒙古自治区的伊敏,形成了以北京为中心的星状网,根据需要还可以构成网状通信网,为边远地区提供通信服务。实践证明,卫星在电力通信中的电话、传真、数据、图像传输的效果均令人满意,并且还具有投资孝见效快、运行与维护以及管理都十分简便的独特优点。在应用卫星通信以前,有的大型水电工地在建设初期仅靠无线电报进行有限的通信,速度慢、效率低。应用卫星通信以后,每天可以传递大量的生产信息和各种报表,使工作效率和生产速度大大提高,同时也获得了直接和间接的经济效益。

在石油工业向现代化发展的进程中,解决石油天然气总公司与各油田以及各油田之间的信息传输问题,显得越来越重要。中国石油卫星专用通信网,现已初步建成了以固安地球站为中心的星形网络结构,实现了总公司与相距遥远的16个油田的迅速、稳定、可靠的通信,极大地改善了通信难的状况。并为及时了解石油勘探开发现场的生产状况,实时指挥生产调度提供了可靠保证。与此同时,也为加强和促进石油企事业单位之间的信息交流提供了方便条件。随着石油工业的发展,石油科研水平的不断提高,以及石油系统计算机网络的建立和应用,逐步实现资源和信息共享, 将使各油田至总公司之间的数据传输量不断增加。尤其是由于勘探、开发、钻井及其它应用数据库的普遍建立,数据库远程查询,大批量数据的远程调度和传输,远程文件交换、电子邮件等网络应用会急剧增多,对卫星通信提出了新的要求。小型地球站将迅速得到应用与发展,石油专用卫星通信网将由单一的星形网发展成星形与网状相结合的结构,这样既保证了各石油企事业单位与总公司之间的信息传输直达通路,又能为网内各石油企事业单位之间提供横向联系线路,以满足他们之间的各种信息的需要。

我国煤炭资源分布偏西,而经济发展重心却偏东,这就给运输带来了严重困难。常规通信手段已很难满足要求,必须迅速建立煤炭工业卫星通信专用网,便可缓解这一矛盾。煤炭卫星专用通信网,将覆盖全国各省市,是一个以大、中、小型及微型地球站相结合的复合型卫星通信专用网, 解决煤炭工业管理、指挥调度。利用这套系统还能以数据同播方式,从北京向各煤炭企、事业单位广播一些煤炭生产经营情况,发布消息,传播经济信息资料等。卫星通信将促进煤炭工业经济新的增长。

向空间索取新能源

目前,人类所消耗的能源,绝大部分来自于一次性化石燃料,即石油、煤炭和天然气。从长远观点看,这类能源终有一天会被消耗殆荆随着人口激增、工业无节制地发展,人类对能源的需求将不断增长。预计到下世纪中期,世界能源消耗量将比现在增加两倍。如无特殊重大发现,估计地球上可供开采的煤和石油,只能维持200～300年。还有人估计,地球上石油蕴藏量为2兆桶,从1900 年左右开始使用,如果加以控制,预计到2050年石油将消耗殆荆而且,一次性化石燃料使用量增加, 会造成越来越严重的环境污染和温室效应。目前人类正在急于寻找新的再生洁净能源并加以开发和应用。

在地球上面临能源危机和航天技术已经获得高度发展的今天,向空间索取新的能源不但是必要的,而且也是可能的。向空间索取能源至少存在两种途径。一是在空间采集太阳能并以波束的形式传输到地面;二是从地外天体采集核聚变燃料。

太阳辐射(太阳能)是对人类至关重要的一种能源。太阳辐射总功率为3.82×1023千瓦。在宇宙空间,利用太阳能发电的优点是能充分发挥静止轨道资源的作用,静止轨道每年有 99%以上的时间都能接收到太阳光的照射,比地面日照时间要大1倍多,同样面积的太阳能利用率约为地面的5倍。同时在空间微重力环境下,具有构筑大型太阳电池阵或太阳能收集器的良好条件。对于直接从空间采集太阳能,可以采取两种方案。一种方案是建造太阳能发电卫星,即在地球轨道上部署大型太阳能采集器,然后把采集到的太阳能以微波的形式定向传送到地面,地面接收站通过整流天线再把微波能转换成可以利用的电能。另一种方案是在月球表面上安装太阳能采集器, 把所采集到的能量送往地面。

对于从地外天体获取核聚变燃料,主要是采用月球上的氦3作为反应堆的燃料。在月球上,通过采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统,便可直接将核能转变为电能。设想中的月球核能源基地,将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力,通过高传输效率的短波长激光束,也就是紫外线区的激光,输送到静止轨道上的能量中继卫星。在中继卫星上, 电能被转换成在空气中具有高传输效率波长的激光,然后再传送到位于地球上的接收站,由接收站再将能量分配到各个地区供用户使用。此外,也可将氦-3从月球上开采出来运至地球。

据预测,从月球的矿石中提取的氦-3,足以满足整个地球400年能源的需要,用氦-3为原料,核反应堆成本降低一半,而且无污染。为了建立月球核能源基地,有许多工程技术问题,有待人们尽快研究解决。例如超高效能量转换系统、空间用核反应堆、空间机器人、大功率输出的高效激光生成设备、接收设备、激光传输的安全技术等。

世界各国科学家们在发展空间能源系统方面,已经做了大量有意义的工作。在此基础上,已经意识到世界各国在航天领域加强国际合作势在必行。一方面需要继续进行有关技术和系统的可行性研究,另一方面要促进社会各界对从空间获取能源的必要性和可行性的了解和支持,因为这是一件造福人类、造福子孙后代的伟大事业。一旦取得突破,人类就不再会受到地球能源短缺的困扰,人类就可以源源不断地从空间获取洁净的能源。