绿色星空:天文也低碳

Katia Moskvitch 文 Shea 编译

天文学中的碳排放也是你从未没有想到过的问题。

如果要制定一份科学中最紧迫问题的清单,天文学的碳排放问题不太可能位于其中。但如果它真在其列的话,那它最终很可能会位于新生儿性别比例控制和如何防止口袋里的耳机线打结之间的某个地方。

不过,对于位于智利帕瑞纳尔的拉西亚天文台的副台长乌利·魏伦曼(Ueli Weilenmann)来说,他却并不同意这个看法。最近,他一边在控制运行天文台的成本,一边在为拉西亚天文台的碳排放量感到震惊。进一步地深挖发现,这个问题并不仅限于拉西亚天文台:许多其他天文台所排放出的温室气体也远超其自身的规模。

这完全是意料之外的。由于自身所处的特殊位置,大多数的天文台都有机会使用清洁能源。但出于种种原因却一直无法实现。现在,世界各地的天文台都在寻求走向低碳的解决方案。虽然由此减少的碳排放量不足以拯救世界,但天文学家们决心证明,大科学也可以是清洁的。


[图片说明]:欧洲南方天文台甚大望远镜所在地帕瑞纳尔。版权:ESO。

望远镜越大,它就可以深入更为深邃的宇宙,获得更好的图像。然而,使用位于智利帕瑞纳尔的甚大望远镜(VLT)来探测遥远的旋涡星系或者是太阳系外行星上的天气却要付出高昂的成本。天文学其实是一项高能耗的活动。由于地处非常偏远,在帕瑞纳尔所做的一切事情都附带着相应的能源成本。即便是水也需要卡车运送,更不用说食品和燃料了。

这其中,天文观测设备的运转以及对灵敏电子设备的冷却都要耗费大量的能源。每天它们要消耗27兆瓦时的能量,每年就是近10千兆瓦时——相当于美国1000户家庭的年用电量。

不过,和住家不一样的是,帕瑞纳尔远离智利的电网,无法与之相连,所以它必须自己发电。为此它会使用燃烧丁烷的发电机。由于燃油价格的波动再加上天文台的现金流不畅,魏伦曼正在研究帕瑞纳尔的能源使用问题,进而来控制成本。他发现,其碳排放量为每年22,000吨,相当于每发表一篇科学论文就要释放46吨的二氧化碳。这和一个小城镇的碳排放量相当。

在当今世界,一个数据中心的能源消耗就可以和一个中等规模的城市相媲美,因此面对这些数字许多人连眉头都不会动一下,但对于魏伦曼来说这事关原则:这个问题从一开始就不应该存在。毕竟,在这个理想的天文台址有许多的绿色能源可以利用。德国鲁尔大学的罗尔夫·希尼(Rolf Chini)说:“我们还从来没有遇到过有一天以上既没有太阳也没有风的情况。”希尼管理着阿塔卡马沙漠中墨菲山顶的一座天文台,与帕瑞纳尔很相似那里年平均晴天数有320天并伴有大风。

这里唯一的障碍是,无论风能还是太阳能都不是天文台可以直接利用的能源。太阳能电池板无法在晚上为望远镜供电。强风也同样是问题——虽有利于发电,但不利于天文观测。在风力最大的夜晚,天文台的圆顶会被关闭。但即使在风力较弱的夜晚,风力发电机桨叶搅起的湍流也会对天文观测产生干扰。

不过,希尼的天文台已经想出了解决的办法。作为世界上唯一百分百的绿色天文台,它的能源均来自其100块的太阳能电池板和3个风力发电机。

月亮能

对于大多数天文台来说太阳能发电是最佳的选择:清洁,丰富,廉价。然而,在实践中,使用这一能源却会遇到很多的障碍。

24小时使用太阳能资源的一种办法是收集月亮所反射的太阳光。虽然在短时间内这个想法还不会有任何市场,但很多公司正在为此努力。一家西班牙公司声称,其全天候玻璃球体白天可以收集阳光,到晚上则可以收集月光。由它制造的一个直径500毫米的球体可以跟踪月亮,然后将其光子聚焦2000倍到一块标准的太阳能电池板上,产生足够点亮一盏LED灯的电力。


[图片说明]:号称可以在夜间收集月亮光能的玻璃球体。版权:Rawlemon。

日本的一家公司则提出了一个更为奇特的想法,​把月亮本身成为一块太阳能电池板。该公司提出的“月环”概念涉及到在月亮上建一个“太阳能带”。这一长11,000千米的反射镜结构将利用太阳光来发电,然后通过激光把能量传回地球。


在得知这个消息后,魏伦曼立即前往取经。然而,他的希望很快就破灭了,绿色天文台的成功都归咎于其规模较小。它所包含的3栋建筑都只有小型车库那么大,直径5米的风力发电机也太小而不会产生湍流。太阳能和风能用来生产夜间冷却其望远镜灵敏电子设备所需的液氮,多余的能量则会储存进电池用来为望远镜在夜间供电。这些电池最大容量为2.3千瓦时,仅够同时为一个烤面包机和Xbox提供电力。帕瑞纳尔的望远镜需要约500倍于此的电力,远远超出了任何现有电池的存储能力。建造自己的蓄电池组则至少需要1200块电池,而这一60万欧元的投资只能维持10年。此举并不比使用丁烷好到哪儿去。

尽管如此,计算表明改用可再生能源可以使得帕瑞纳尔的碳排放减少约43%,于是魏伦曼决心要找到一个办法来做到这一点。其他天文台也制定了自己的解决方案,其中一些已更多地利用了当地的绿色能源。引领这一变革的是一平方千米天线阵(SKA),它将于2024年在南非和澳大利亚建成,由3000面天线组成。目前已经启动并在运行的是其高灵敏度的原型天线。它需要一直处于被冷却的状态,所产出的大量数据则同样需要经冷却的超级计算机来处理。在位于澳大利亚珀斯的SKA超级计算机中心,工程师们使用地热水泵从地下140米的含水层收取22℃的地下水,将它们送入热交换器来冷却他们的系统,然后把升温11°C的水重新注入到含水层。这样做的目的并不仅仅是为了节能。如果改用冷却塔,其1年蒸发流失的水份就相当于15个奥林匹克游泳池。


[图片说明]:使用抛物面反射镜来汇聚太阳光提高太阳能电池板转化效率。版权:Rehnu。

然而,大多数地方并不具有地热能。世界上最无处不在的清洁能源是太阳能,所以其他的解决方案都是围绕这一点来展开的。太阳能电池板不仅可用于日常的需要,还可以用于望远镜夜间所用液氮的预先冷却。即使光伏系统仅可以部分提供帕瑞纳尔白天所需的电能,这也能为该天文台削减18%的燃料使用量。出于类似的考量,运营着南非大型望远镜的南非天文台也想建一个太阳能发电场,但其上级组织无法为之提供资金。于是,他们自己搭建了一个“太阳能喷泉”,通过汇聚太阳光来加热管道中的水。得益于此和其他的小措施,该天文台的能耗已经出现了下降,把每月能耗削减了11.9%。

然而,即便天文台有资金来建造太阳能发电场,仍会有另一个问题。为了满足帕瑞纳尔白天高峰时的电力需求——600千瓦,必须要安装2400块标准的太阳能电池板。这个数目实在太巨大了。

有趣的是,部分解决这个问题的办法可能就在于在望远镜的反射镜本身。反射镜不仅可以来反射星光,也可以用来汇聚太阳光。有一家公司来研发这样一个装置:把几个大型的方形抛物面反射镜安装到一个轻型的钢架上,用它们来把太阳光汇聚到一个小型光伏阵上。其原型样机已经证明它的效率可以达到约40%,高出传统太阳能发电系统1倍。如果确实如此,那么天文台只要建造中等规模的太阳能发电场,将能显著地降低自身的碳排放。

在漫长而又令人沮丧地寻找解决方案之后,魏伦曼的救星似乎出现了——电网。虽然他一直都明白电网是使得帕瑞纳尔减排的最大希望,但这一渠道一直被认为是不可行的:没有办法把帕瑞纳尔与智利遥远的民营电网相连。但是欧洲特大望远镜的建造提案获得了批准,计划在10年内完工,距离帕瑞纳尔约22千米。这座超大型的天文台毫无疑问地会与智利的电网相连。它的供电线路将横贯阿塔卡马并从帕瑞纳尔穿过。与之相连最终可以让帕瑞纳尔对太阳能和风能等清洁能源的投资变得现实,因此它可以出售多余的电力并从中受益。利用清洁能源白天获得的多余电能可以回馈给电网,到晚上则可以从电网中取用它。

也许这可以让天文台真正做到以太阳能作为唯一的能源。





[New Scientist 2014年2月1]



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