□ 編譯 謝 懿

綠色星空：天文也低碳

□ 編譯 謝 懿

位于智利帕瑞納爾的拉西亞天文臺

天文學(xué)中的碳排放也是你從未想到過的問題。

如果要制定一份科學(xué)中最緊迫問題的清單，天文學(xué)的碳排放問題不太可能位于其中。但如果它真在其列的話，那它最終很可能會位于新生兒性別比例控制和如何防止口袋里的耳機線打結(jié)之間的某個地方。

不過，對于位于智利帕瑞納爾的拉西亞天文臺的副臺長烏利·魏倫曼（Ueli Weilenmann）來說，他卻并不同意這個看法。最近，他一邊在控制運行天文臺的成本，一邊在為拉西亞天文臺的碳排放量感到震驚。進一步地深挖發(fā)現(xiàn)，這個問題并不僅限于拉西亞天文臺：許多其他天文臺所排放出的溫室氣體也遠超其自身的規(guī)模。

這完全是意料之外的。由于自身所處的特殊位置，大多數(shù)的天文臺都有機會使用清潔能源。但出于種種原因卻一直無法實現(xiàn)?，F(xiàn)在，世界各地的天文臺都在尋求走向低碳的解決方案。雖然由此減少的碳排放量不足以拯救世界，但天文學(xué)家們決心證明，大科學(xué)也可以是清潔的。

望遠鏡越大，它就可以深入更為深邃的宇宙，獲得更好的圖像。然而，使用位于智利帕瑞納爾的甚大望遠鏡（VLT）來探測遙遠的旋渦星系或者是太陽系外行星上的天氣，卻要付出高昂的成本。天文學(xué)其實是一項高能耗的活動。由于地處非常偏遠，在帕瑞納爾所做的一切事情都附帶著相應(yīng)的能源成本。即便是水也需要卡車運送，更不用說食品和燃料了。

這其中，天文觀測設(shè)備的運轉(zhuǎn)以及對靈敏電子設(shè)備的冷卻都要耗費大量的能源。每天它們要消耗27兆瓦時的能量，每年就是近10千兆瓦時——相當(dāng)于美國1000戶家庭的年用電量。

不過，和住家不一樣的是，帕瑞納爾遠離智利的電網(wǎng)，無法與之相連，所以它必須自己發(fā)電。為此它會使用燃燒丁烷的發(fā)電機。由于燃油價格的波動再加上天文臺的現(xiàn)金流不暢，魏倫曼正在研究帕瑞納爾的能源使用問題，進而來控制成本。他發(fā)現(xiàn)，其碳排放量為每年22,000噸，相當(dāng)于每發(fā)表一篇科學(xué)論文就要釋放46噸的二氧化碳。這和一個小城鎮(zhèn)的碳排放量相當(dāng)。

在當(dāng)今世界，一個數(shù)據(jù)中心的能源消耗就可以和一個中等規(guī)模的城市相媲美，因此面對這些數(shù)字許多人連眉頭都不會動一下，但對于魏倫曼來說這事關(guān)原則：這個問題從一開始就不應(yīng)該存在。畢竟，在這個理想的天文臺址有許多的綠色能源可以利用。德國魯爾大學(xué)的羅爾夫·希尼（Rolf Chini）說：“我們還從來沒有遇到過有一天以上既沒有太陽也沒有風(fēng)的情況?！毕Ｄ峁芾碇⑺R沙漠中墨菲山頂?shù)囊蛔煳呐_，與帕瑞納爾很相似，那里年平均晴天數(shù)有320天并伴有大風(fēng)。

這里唯一的障礙是，無論風(fēng)能還是太陽能都不是天文臺可以直接利用的能源。太陽能電池板無法在晚上為望遠鏡供電。強風(fēng)也同樣是問題——雖有利于發(fā)電，但不利于天文觀測。在風(fēng)力最大的夜晚，天文臺的圓頂會被關(guān)閉。但即使在風(fēng)力較弱的夜晚，風(fēng)力發(fā)電機槳葉攪起的湍流也會對天文觀測產(chǎn)生干擾。

圖1 歐洲南方天文臺甚大望遠鏡所在地帕瑞納爾。版權(quán)：ESO。

不過，希尼的天文臺已經(jīng)想出了解決的辦法。作為世界上唯一百分百的綠色天文臺，它的能源均來自其100塊的太陽能電池板和3個風(fēng)力發(fā)電機。

在得知這個消息后，魏倫曼立即前往取經(jīng)。然而，他的希望很快就破滅了，綠色天文臺的成功都歸咎于其規(guī)模較小。它所包含的3棟建筑都只有小型車庫那么大，直徑5米的風(fēng)力發(fā)電機也太小而不會產(chǎn)生湍流。太陽能和風(fēng)能用來生產(chǎn)夜間冷卻其望遠鏡靈敏電子設(shè)備所需的液氮，多余的能量則會儲存進電池用來為望遠鏡在夜間供電。這些電池最大容量為2.3千瓦時，僅夠同時為一個烤面包機和Xbox提供電力。帕瑞納爾的望遠鏡需要約500倍于此的電力，遠遠超出了任何現(xiàn)有電池的存儲能力。建造自己的蓄電池組則至少需要1200塊電池，而這一60萬歐元的投資只能維持10年。此舉并不比使用丁烷好到哪兒去。

盡管如此，計算表明改用可再生能源可以使得帕瑞納爾的碳排放減少約43%，于是魏倫曼決心要找到一個辦法來做到這一點。其他天文臺也制定了自己的解決方案，其中一些已更多地利用了當(dāng)?shù)氐木G色能源。引領(lǐng)這一變革的是一平方千米天線陣（SKA），它將于2024年在南非和澳大利亞建成，由3000面天線組成。目前已經(jīng)啟動并在運行的是其高靈敏度的原型天線。它需要一直處于被冷卻的狀態(tài)，所產(chǎn)出的大量數(shù)據(jù)則同樣需要經(jīng)冷卻的超級計算機來處理。在位于澳大利亞珀斯的SKA超級計算機中心，工程師們使用地?zé)崴脧牡叵?40米的含水層收取22℃的地下水，將它們送入熱交換器來冷卻他們的系統(tǒng)，然后把升溫11°C的水重新注入到含水層。這樣做的目的并不僅僅是為了節(jié)能。如果改用冷卻塔，其1年蒸發(fā)流失的水分就相當(dāng)于15個奧林匹克游泳池。

圖2 使用拋物面反射鏡來匯聚太陽光提高太陽能電池板轉(zhuǎn)化效率。版權(quán)：Rehnu。

然而，大多數(shù)地方并不具有地?zé)崮堋Ｊ澜缟献顭o處不在的清潔能源是太陽能，所以其他的解決方案都是圍繞這一點來展開的。太陽能電池板不僅可用于日常的需要，還可以用于望遠鏡夜間所用液氮的預(yù)先冷卻。即使光伏系統(tǒng)僅可以部分提供帕瑞納爾白天所需的電能，這也能為該天文臺削減18%的燃料使用量。出于類似的考量，運營著南非大型望遠鏡的南非天文臺也想建一個太陽能發(fā)電場，但其上級組織無法為之提供資金。于是，他們自己搭建了一個“太陽能噴泉”，通過匯聚太陽光來加熱管道中的水。得益于此和其他的小措施，該天文臺的能耗已經(jīng)出現(xiàn)了下降，把每月能耗削減了11.9%。

然而，即便天文臺有資金來建造太陽能發(fā)電場，仍會有另一個問題。為了滿足帕瑞納爾白天高峰時的電力需求——600千瓦，必須要安裝2400塊標準的太陽能電池板。這個數(shù)目實在太巨大了。

有趣的是，部分解決這個問題的辦法可能就在于望遠鏡的反射鏡本身。反射鏡不僅可以反射星光，也可以用來匯聚太陽光。有一家公司來研發(fā)這樣一個裝置：把幾個大型的方形拋物面反射鏡安裝到一個輕型的鋼架上，用它們來把太陽光匯聚到一個小型光伏陣上。其原型樣機已經(jīng)證明它的效率可以達到約40%，高出傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)1倍。如果確實如此，那么天文臺只要建造中等規(guī)模的太陽能發(fā)電場，將能顯著地降低自身的碳排放。

在漫長而又令人沮喪地尋找解決方案之后，魏倫曼的救星似乎出現(xiàn)了——電網(wǎng)。雖然他一直都明白電網(wǎng)是使得帕瑞納爾減排的最大希望，但這一渠道一直被認為是不可行的：沒有辦法把帕瑞納爾與智利遙遠的民營電網(wǎng)相連。但是歐洲特大望遠鏡的建造提案獲得了批準，計劃在10年內(nèi)完工，距離帕瑞納爾約22千米。這座超大型的天文臺毫無疑問地會與智利的電網(wǎng)相連。它的供電線路將橫貫阿塔卡馬并從帕瑞納爾穿過。與之相連最終可以讓帕瑞納爾對太陽能和風(fēng)能等清潔能源的投資變得現(xiàn)實，因此它可以出售多余的電力并從中受益。利用清潔能源白天獲得的多余電能可以回饋給電網(wǎng)，到晚上則可以從電網(wǎng)中取用它。

也許這可以讓天文臺真正做到以太陽能作為唯一的能源。

圖3 號稱可以在夜間收集月亮光能的玻璃球體。版權(quán)：Rawlemon。

超鏈接：月亮能

對于大多數(shù)天文臺來說太陽能發(fā)電是最佳的選擇：清潔，豐富，廉價。然而，在實踐中，使用這一能源卻會遇到很多的障礙。

24小時使用太陽能資源的一種辦法是收集月亮所反射的太陽光。雖然在短時間內(nèi)這個想法還不會有任何市場，但很多公司正在為此努力。一家西班牙公司聲稱，其全天候玻璃球體白天可以收集陽光，到晚上則可以收集月光。由它制造的一個直徑500毫米的球體可以跟蹤月亮，然后將其光子聚焦2000倍到一塊標準的太陽能電池板上，產(chǎn)生足夠點亮一盞LED燈的電力。

日本的一家公司則提出了一個更為奇特的想法，把月亮本身成為一塊太陽能電池板。該公司提出的“月環(huán)”概念涉及到在月亮上建一個“太陽能帶”。這一長11,000千米的反射鏡結(jié)構(gòu)將利用太陽光來發(fā)電，然后通過激光把能量傳回地球。

（責(zé)任編輯 張長喜）