【機電未來】漫談外太空建築及其機電系統（一） - E&M Systems of Extra-terrestrial Architecture（1）

最近無意中接觸到一款叫《戴森球計劃》（Dyson Sphere Program）的電腦單機遊戲。這是一款太空模擬建造經營類遊戲。玩家是效力於代號為「戴森球計劃」的工程項目的工程師，需要前往陌生的星系，通過採集資源、解鎖科技、規劃設計生產線逐步建立一個跨星系自動化工業體系，最後通過建造「戴森球」為超級電腦提供持續穩定的能量。

這個遊戲的背景「戴森球」是美國物理學家、數學家弗裡曼·約翰·戴森（Freeman John Dyson）於1960年提出的假想概念。這個概念假設了一種人類能量的獲取方式，是通過外太空的一種巨型結構（或可稱作建築物）完全包圍某個恆星來獲得其絕大多數能量。如果對於太陽系以及我們人類來説，就是把太陽用采能裝置盡可能的包圍來採集太陽能，並通過某種能量傳輸手段將捕獲的能量傳送至地球或者其他需要人類使用的地方。

那麽，遊戲中的想像的行星和外太空的世界，以及在外太空的建築物，是否會在將來的某一天實現？答案是很大程度上說是必然的。地球的資源越來越有限，人類除了在“節流”方面盡可能地節約資源、提高生產效率、降低碳排放；在“開源”方面更需要大膽的去探索外太空潛在的能源，尤其是其它恆星的能量。地球只是宇宙渺小的不能再渺小的一個星球了，因此，未來的建築物的趨勢必然會逐步走向高空，甚至走向外太空。

那麽作爲樓宇和基建相配套的機電設備，在逐步走向“太空”的過程中，需要著眼於解決哪些問題，對於外太空建築的機電系統的設計又有哪些挑戰呢？今天我們就腦洞大開一下，看看有哪些值得關注的地方。

能源獲取和轉化

外太空或者其他行星上現時幾乎沒有發現可供利用的化石，除非我們修建冗長的傳輸化石燃料的運輸系統由地球至外太空，否則我們幾乎不能使用化石燃料。因此外太空使用能源必將是可再生能源。太陽能、風能以及核能將成為化石能源的替代品。現時已有的外太空飛行器幾乎都用太陽能光伏電池板來轉化電能，這種光伏電池板可以捲起來整理好，占據較小的空間，便於從地球運輸到外太空。

然而，現有的科技下太陽能的轉化效率仍十分的低。市場有售的太陽能電池通常分兩類：晶態矽電池和薄膜電池。晶態矽電池還可以進一步分爲單晶矽電池和多晶矽電池。薄膜電池包括非晶矽電池、銅銦鎵二硒太陽能電池(CIS)和鎘碲薄膜太陽能電池(CdTe)。

來源：https://re.emsd.gov.hk/tc_chi/solar/solar_ph/Solar_Cells.html

太陽能電池的性能可以由「能量轉換效率」來表達，即是太陽光能轉化爲電能的轉化效率。早期的矽電池只有大概百分之幾的轉化效率。而目前市場上的太陽能電池轉化效率可以接近20％（一些特殊的設計可以超過20％）

能量的傳輸

捕獲的能量在現有人類科技情況下，仍然首選轉化爲電能進行傳輸。在電力系統中，發電產生的電能會經由輸電系統和配電系統，傳送到使用者或是儲能設備。在我們地球上，最常用的電力傳輸仍然是交流電，因爲交流電傳輸的電壓較容易升降、損耗較小，較為經濟。而直流發電大多以電化學的方式產生電力，以小功率的應用為主。近年發展快速的太陽能電池，透過光電效應產生直流電，並藉由逆變器轉換成交流電，供應給使用者。

然而，在外太空，我們是否仍需要利用交流電來進行電力傳輸呢。既然直接用太陽能發電產生直流電，而現實中我們的絕大多數設備最終都要轉化為直流電進行應用、例如：電腦，手機。那麽，是否可以考慮去掉交流電那多餘的一環呢？交流電的主要目的是爲了電力傳輸，如果對於外太空建築，每一棟建築如果都有自給自足的太陽能發電系統以及儲能裝置（分佈式發電及分佈式電池），那麽遠距離的交流電傳輸系統將可能成爲歷史的產物。

極端環境中建築的建造

外太空環境異常極端，沒有可供呼吸的空氣，表面重力極小，沒有磁場，大氣也非常稀薄，因此輻射水平相當高。從建築視角來看，工程師應當思考如何建立能夠儲存空氣的特殊封閉空間以及保護人類免遭輻射侵害的建築殼體或構造。

現時若是在外太空建造，其過程本身將非常低效甚至危險。以月球為例，其表面覆蓋著一層由鋒利的細小顆粒形成的輕薄的月球塵埃層，工程人員一旦呼吸過度，這些顆粒就會被吸入體內，進而劃傷肺部。使得月球上的建設工作如同在一個充滿超強石棉的工地上進行建造一樣。這種工作環境更適合於機械人而不是人類自身。如今，一項革新技術亦逐漸開始普及，即Modular Integrated Construction (MiC) 裝配式建築，即「組裝合成」建築法。

「組裝合成」建築法是一種創新的建築方法。透過「先裝後嵌」的概念，將現場建築工序轉移至較易控制的廠房進行，在廠房中製造獨立的「組裝合成」組件（包括裝飾工程、固定裝置和屋宇設施），樓宇在組件送達工地前已大致上完成，從而減省現場施工工序，減少建築過程受天氣條件、勞動力資源和施工場地限制影響，同時有利管理施工質素、提升建造業的生產力、安全性及可持續性。

「組裝合成」建築法幾乎是完全為外太空的建築建造而設計的一種高效且完美的方法。通過在工廠生產建築及機電組件，減少組裝時的粉塵吸入。外太空由於重力減小亦有利大型工程組建的調運和裝配。由於程序較爲固定，因此也可以考慮使用機械人進行施工，降低勞動力資源，也不易受困於外太空嚴苛的天氣環境影響。

【戴森球計劃】中的“預製組件”製造工廠 及 可層級搭建的“組合式”建築物

機電設備的材料

太空不僅有宇宙大爆炸時留下的輻射，還有各種天體也在向外輻射電磁波，甚至許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線。眾所周知，宇航員出倉行走都要穿著厚厚的宇航服，主要就是為了避免強輻射太空環境帶來的對人體的危害，其實，強輻射環境對航天器、外太空建築以及其機電設備的傷害亦十分嚴重。

因此，外太空機電設備的材料需要解決抵抗強輻射、電磁幹擾、極端環境以及腐蝕防護等問題，包括地面存放時不發生腐蝕，太空使用環境中要能抵抗太空原子氧腐蝕，同時要滿足電磁屏蔽、冷熱循環等綜合性能要求。為了實現減重，建築物及機電設備可能使用大量輕合金，鎂合金是減重常用材料，但其腐蝕問題成為關鍵技術難題。


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外太空建築必將成爲未來建築的發展趨勢，由於篇幅原因，我們將在之後的文章中分別詳細談談在風、火、水、電各項機電系統中，外太空建築的應用中有哪些值得留意的地方和未知的風險和挑戰，也分享一些最新科技供大家參考。大家如果有自己的感受和觀點，也不妨留言分享，一起探討。