中国、美国、欧洲等主要国家和地区,都在纷纷布局太空数据中心、轨道级巨型光伏电站与空间无线输电项目,试图在下一代AI算力体系中占据优势。
11月27日,北京召开“智绘星空 胜算在天——太空数据中心建设”工作推进会,拟在700-800公里晨昏轨道建设运营超过千兆瓦功率的集中式大型数据中心系统。
美国科技巨头也动作频频:特斯拉创始人马斯克表示,随着星舰的问世,大规模部署太阳能人工智能卫星成为可能。这也是马斯克所认为的,实现“每年1太瓦(1TW)人工智能算力”的重要路径,并定下了“4-5年通过星舰完成每年100GW数据中心部署”的目标。
英伟达则首次将H100GPU送上太空,搭载在初创公司Starcloud的Starcloud-1卫星上。
谷歌启动了“太阳捕手计划”,计划在2027年初发射两颗搭载TPU芯片的原型卫星。
然而,能源正成为悬在算力头顶的达摩克利斯之剑。国际能源署预计,在人工智能的驱动下,到2030年,全球数据中心的电力需求预计将比2024年增加一倍以上。
听起来有些科幻,因为这个想法正源于科幻小说。
1941年,美国科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫在短篇小说《Reason》中描述过这一场景:利用空间站的电池板捕捉太阳能后,通过微波光束将其传输到各个行星。
太空输电示意图,引自科普中国
相比地面光伏电站,“太空输电”可以避免太阳能电池“看天吃饭”以及大气层对阳光的削弱作用,大幅提升发电效率。据估算,太空中同样面积的太阳能电池板的发电量是地面的几十倍。
近年来,“太空输电”竞赛持续升温。
美国太阳能初创公司Aetherflux计划在2026年发射首个低地球轨道示范卫星,将太阳能直接收集,并通过激光传输到地球上的“地面站”,实现人类首次从太空向地球传输电力,现已融资6000万美元,并得到美国军方的支持。
英国Space Solar公司计划在3.6万公里高空打造直径1.8公里的“仙后座”空间站,利用数百万颗覆盖太阳能电池板的卫星来收集太阳光,通过约10亿个天线向地球传输能量,获得了英国政府的资助。
欧洲空间局于2023年1月启动了SOLARIS预先研发计划,计划在三年内投入6000万欧元,专注于太阳能电池、能量转换器、空间机器人等核心技术的研发,为未来的在轨验证奠定基础。
中国的空间太阳能电站系统项目叫“逐日工程”,规划分“三小步”(地面/浮空试验、空间电能管理、天地无线能量传输试验)和“两大步”(MW级试验验证、GW级商业电站),目标是到2030年,把兆瓦级的试验电站送到地球同步轨道;到2050年,建成可以商用的吉瓦级电站。
除了能源的“天地传输”,“天天传输”也在探索,可以视为“天电地用”的容易版本。
2025年11月,美国Star Catcher公司用1.1千瓦激光束,将能量精准传输到数百米外的光伏阵列,打破了今年6月美国国防高级研究计划局(DARPA)创下的800瓦的激光束发射功率纪录。
这项技术可以满足轨道侧用电需求:通过聚光系统捕捉太阳能,然后通过高精度的波束将电力直接传输给卫星。通过这种“太空对太空”的能源中继,卫星可以摆脱沉重的电池板,将更多的质量分配给有效载荷。
不管是穿越大气层输电还是“太空对太空”送电,均面临着成本挑战。根据2024年NASA评估报告,太空发电站的发电成本高达0.6亿美元/度,是地面太阳能电站的12~80倍,主要贵在火箭发射。
此外,规模化部署太空发电设施将带来轨道拥挤问题和碎片碰撞风险,无线能量传输技术也面临着前所未有的监管挑战。
6G的目标是实现“空天地一体化”,这意味着卫星网络将不再是地面通信的补充,而是整个网络有机、无缝的组成部分。这随即引发了一场激烈的“太空圈地运动”。
目前,SpaceX的Starlink星座和中国的“国网”星座都在以惊人的速度进行低轨(LEO)卫星部署。根据国际电信联盟(ITU)的“先登先占”原则,宝贵的近地轨道和通信频率资源正成为稀缺的战略资产,先到者得。
更深层次的斗争发生在标准层面。美国倾向于利用Starlink的市场优势,使其私有通信协议成为全球的“事实标准”,从而边缘化国际统一标准。而中国则坚定地在3GPP框架内推动统一的非地面网络(NTN)标准,以打破美国的太空网络霸权。
谁控制了太空中的网络节点,谁就掌握了未来全球无缝覆盖的制高点。这场在星辰大海中展开的竞赛,其激烈程度丝毫不亚于地面上的任何博弈。
一场围绕“太空算力”与“太空能源”的新竞赛最近正在全球升温。
钙钛矿、核电站、激光输电全面开战
苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫按照能源利用能力,将文明划分为Ⅰ型(掌控行星能源)、Ⅱ型(收集恒星系统能量)和Ⅲ型(控制银河系能源)三个等级。最新评估显示,人类文明还处于I型,仅0.73级左右。
虽然人类还不能完全掌控地球上的能源,但是收集和利用恒星能源已经提上日程,涉及两个层面:
从太空发电看,目前广泛采用的砷化镓(GaAs)太阳能电池面临高成本难题,亟待寻找更具性价比的方案;
从太空输电看,太空发电通过无线技术传送到地球,突破了地理和气候的限制,将引发能源革命。
“太空算力”的未来是美好的,但不得不面对能源困局的现实。
由于太空无法接入地面电网,光伏是能源供给的最重要方式。目前,太空能源的主力是砷化镓(GaAs)太阳能电池,以其高转化效率、耐辐射等特性,广泛应用于航天器、空间站等领域。
但砷化镓制备的原料稀缺、工艺复杂,导致价格昂贵,素有“半导体贵族”之称。公开资料显示,“天和”核心舱134平方米的砷化镓太阳翼,成本高达1.67亿元,折合125万元/平米,比硅基电池贵几十倍,显然无法满足“太空算力”大规模部署的要求。
天和核心舱大型柔性太阳能电池翼示意图,引自中国载人航天
晶硅电池是当前地面电站的主流,但在AM0(太空环境)下效率仅为14-18%,远低于砷化镓30%的光电转换效率;抗辐射性能差,太空环境中效率衰减快,并不适合在太空中使用。
钙钛矿电池作为新一代太阳能电池技术的代表,兼具砷化镓电池的高效率、耐辐射特性和晶硅电池的低成本优势,成为太空应用的理想选择。
近年来,我国钙钛矿产业化进程加速,量产线迈入GW级新阶段,光电转换效率屡屡刷新。更重要的是,钙钛矿电池可与晶硅电池结合形成钙钛矿-晶硅叠层电池,理论效率可达43%。
引自中国光伏行业协会
中国成功发射卫星互联网低轨16组卫星
中新社北京12月12日电 (记者 马帅莎)据中国航天科技集团消息,北京时间12月12日7时0分,中国在海南商业航天发射场使用长征十二号运载火箭,成功将卫星互联网低轨16组卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
长征十二号运载火箭由中国航天科技集团八院抓总研制,采用水平总装、水平测试、水平转运的测发模式,可执行多种轨道发射任务,近地轨道运载能力不少于12吨、700公里太阳同步轨道运载能力不少于6吨,可根据任务需求适配5.2米或4.2米直径构型的卫星整流罩。
本次任务是长征十二号运载火箭第4次发射,也是长征系列运载火箭第616次发射。(完)
投入8500亿,内陆六省开凿运河!为什么“基建狂魔”爱上挖运河?
高铁朝发夕至,国内绝大多数地级市也都有了高铁站。但即便速度提升了,对于大宗货物的运输来说,还是另一种运输方式比较让人心服口服——这种运输方式便是水运。我国水网密布,全国大江大河甚多,从古至今也多有挖运河的习惯。
而在21世纪的今天,虽然火车、汽车和飞机运输已完全普及化,但还是有人相信,未来几十年将是运河运输的时代。
这是因为目前国家投资了8500亿,在涵盖6个大省的范围中,有了五条大运河的开凿计划,一旦打通,全中国就像被疏通了“大命脉”,经济将出现巨大的腾飞!
正在建设中的平陆运河
平陆运河位于广西境内,它大致呈南北走向,主要是将北部湾的出海口,以运河水道的方式,延伸到广西腹地。
这样一来,我国西南地区大宗货物的运输和出海,就多了一条更便捷的通道。
广西虽是沿海地区,但相比国内其他沿海省份,由于海岸线短加上所处位置闭塞,因此广西的沿海特征很不明显。
以往需要靠海运的货物,基本不是从北部湾出海,而是走西江水道到珠江,从广州或者深圳装船出海。从路程上来看,这样的距离稍远,而且珠江水道还容易受到季节性洪水等因素影响。
开挖平陆运河,是将北部湾地区的出海口,通过运河水道的方式,进一步延伸到南宁附近。
这样一来,大宗货物不用长距离走珠江,也不用通过公路运输,可直接走水道以较短的距离出海。
平陆运河是2022年开工的,在交通运输领域的专家看来,这是我国运河运输时代的起点。
未来平陆运河建好后,北部湾地区的钦州和北海,其货物吞吐量相比过去将会进一步增加。
而且运河不但能助力广西的货物运输,还能带动和辐射西南地区的其他省市货物外运。
像深处内陆的云南和贵州,未来对外贸易,可以将广西当成中转点,用较少的距离,就能快速实现货物的登船运输。
根据此前的规划,运河修建工期为52个月,到2026年底基本完工。届时航运通道完工后,可通行5000吨级的大型船舶。
平陆运河正在紧锣密鼓施工,另一条运河也已进入了规划阶段。
连接鄂湘桂的中部大动脉
2020年,我国对于内河航运提出了新的发展规划,提到未来要建成四纵四横两网的航运通道。
在四纵的通道中,其中一条便是沟通湖北、湖南、广西的运河水道,这又被称之为汉湘桂通道或汉湘桂运河。
这条规划中的运河北边从汉江起,然后连通长江并接通洞庭湖,再接着跟湘江贯通。
而后通过开发的河道再接通桂江和西江,最终在广西和平陆运河相连通。这样一来,从汉江上游出发的货物,可沿江而下最终可从北部湾地区出海。
规划中,这条全新的航运通道全长2562公里。未来一旦建成,它将成为中部地区通向华南的重要水运通道。
从目前的规划来看,要沟通各个江河以及大型湖泊,运河可借助原有的水道修建。在不同的河道之间,需要通过人工开挖河道的方式进行通连。
其中,一些规划是分阶段进行的。连接平陆运河的这一段,被称为湘桂运河段,它的起点在永州萍岛,终点位于桂林平乐,规划中的长度在300公里左右。
由于湖南和广西交界的区域,是延绵不绝的大山,未来挖掘运河河道,还需要考虑到地势以及设置不同的分水岭。此前的预估是,这样的分水岭地段至少长34公里。
最新的消息显示,广西和湖南的交通部门,已经对湘桂运河的开挖进行了调研,从线路再到梯级方案等方面,都进行了统筹规划。
根据部署,运河的研究论证将会在今年完成。未来建成的话,长江中上游和珠江中上游的水系将能彻底打通。
中部地区和北部湾地区的货运运输,将比原来的方式缩短至少1200公里。
规划中的湘桂运河,仅仅是未来汉湘桂运河的一个阶段。从目前的情况看,运河的开挖和规划,是分阶段有步骤实施的。
最先动工的是平陆运河,湘桂运河目前则开始了论证,下一步将是开工。而这一阶段开工后,再往后便是沟通洞庭湖,连通长江和汉江的阶段。
你意味着这个工程就已经很大了吗,而这也仅仅是未来四纵四横两网水运网络中的一条纵向工程。
还有另一条更长的纵向水道,目前也在规划论证中。
能连接北京的浙赣粤运河
一千多年来,古人修建和维系了京杭大运河,这条连接江南和北方的水道,千年以来是重要的漕粮运输通道,而且也是古代修建的最长的运河了。
你有没有想过,或许古代的人,也想把这条运河开挖到华南地区,和珠江水系连接起来呢。
但古人只能想想,并没有那样的技术。因为,要想把长江中下游水系跟珠江水系相连的话,所经过的地区山地居多,不像京杭大运河经过的地区以平原为主。
在这种情况下,古人没有技术也没有巨大的财力和人力,去开挖更长的运河通道。而现在,古人办不到的事,当代能通过新技术办到。
这便是规划中的浙赣粤运河,听名字就知道,运河将贯通浙江、江西和广东三省。而这一地区,正好是长江中下游以及珠江水系。
从规划看,该运河分为南北两段,南段的是赣粤运河,北段的是浙赣运河。
其中浙赣运河的规划长度在760公里左右,410公里在江西省内,其余的两百多公里在浙江省内。
主要打通的是信江和钱塘江,这中间由一系列的人工运河连通,规划中的资金在1700亿元左右。
赣粤运河,则是南段连接江西到广东的部分,这一段的距离更长,大约为1228公里,其中江西省内的长度为758公里,规划中的资金大约需要1500亿元。
规划中的施工情况来看,南段也就是赣粤运河的施工量更大。鄱阳湖与赣江以及桃江相连,此后需要用人工运河的方式连接北江,这样一来江西的河流就能与珠江水系连接了。
整体打通后,长江中下游的河流,就和珠江水系形成了网络。到那个时候,广东登船的货物顺着运河,能够轻松直达北京,而沿途的很多地区,都将因物流和货运而兴旺起来。
根据去年的规划,目前南段赣粤运河的建设,已经列入了国家交通网规划纲要。不少中前期的工程早已动工,预计到2030年前后,赣粤运河将基本建成。
因此从规划来看,浙赣粤运河的修建,跟汉湘桂运河一样,也是分阶段实施的。
以上,便是规划和正在建设中的几条纵向运河水道。这些运河由东往西呈南北走向,连通了长江和珠江流域。
除了上述运河之外,还有运河已经建成通航了。
江淮运河全线通航
去年9月份,江淮运河正式通航,它也属于规划水网交通的一部分。该运河主要连通是长江淮河两大水系,从安徽长江沿线的城市,可直接顺着水道北上进入淮河流域。
淮河流域的水道,则修建到了河南,商丘和周口两地的货物,也能直接登船顺水进入长江。相比以往的陆路运输方式,成本是大大节省了。
除了运输,江淮运河的另一个功能是调水。淮北和豫东地区相对于长江中下游更缺水,运河将长江水调到了北部地区,豫东地区很多缺水的地方,饮用水都得到了很大的补充。
除了江淮运河在去年通航之外,京杭大运河近年来也在加快改造。
目前,从山东往南的运河河段,经过改造已经能通航了。山东以北,主要是河北境内的运河河道,目前还在持续改造中,未来也将能恢复全线通航。
看来运河时代,确实正在稳步推进中。水运之所以被如此重视,关键还在于它的巨大优势。
水运的成本和运力规模
火车和汽车运输,是现代社会重要的运输方式,但是和水运比起来,它们都没有后者便宜。
数据显示,水运的耗能最低,铁路运输相对较高,而耗能最高的则是公路运输。而在运输成本上,同样是水运最低,铁路运输是其两倍,公路运输的成本更是水运的10倍。
而从目前的交通结构来看,运输规模最大的恰恰是公路运输,它的货运量占到了70%左右。如此一来,这也提高了整体的物流成本。
但也要看到,公路运输规模之所以大,是因为铁路不能修到每个地方,水运通道同样也不能挖到每个地方,只有公路才可以修建到每个村子。
也就是说,公路运输既可以承担大宗货物的运输,也可以承担细分化的到每家每户的运输,这也是它运量大的缘故。
不过另一组数据又表明,水运的货物周转量也不低。以2022年的数据为例,内河水运货物的周转量,比铁路的多了一半多。
如果不开挖人工运河,水运只能依照自然河流的走向运输。我国的河流大都呈东西走向,南北走向几乎没有大的自然河流。
所以,现在大力发展运河运输网,就是通过纵向挖通的方式,将几大水系沟通起来。未来再通过密度更大的水运网络,可以实现货物更快捷的运输。
结语
国内的内河货运量,多年来持续位居世界第一。截止到2020年,国内内河航道的通航里程超过了12万公里,这一规模同样是世界第一。
而从运输量来看,长江干流依然是最繁忙的水道。未来要建设运河交通时代,就是要将南北各大的河流沟通,让运河水网的密度更高,进而就能将货运能力进一步提升。
当然,所有的工程不是一蹴而就完成的。未来20年到到30年的时间,中短期的规划工程会先后完成的。如果是一些中长期的工程,则需要更长的时间去推动和实施。
参考资料:
《中国正迈向运河时代,下一条大运河会在哪儿?》 界面新闻 2023年12月5日
《平陆运河:千年运河,世纪工程》 中国新闻周刊 2024年3月9日
《加快推进湘桂运河建成汉湘桂中西部江海新通道》 红网 2024年6月14日
《浙赣粤运河来了,投3200亿打通珠江长江,还可直上北京》 南方都市报 2023年10月16日
《开启交通强国水运建设新征程》 光明日报 2021年6月25日