太空太阳能发电站来了

撰文 / 钱亚光

编辑 / 黄大路

设计 / 赵昊然

来源 / 华尔街日报、日经新闻、Nature Portfolio、Geo Spatial World、Dezeen、Engadget；作者：Corey S. Powell ，Elizabeth Gibney等

在太空中捕获太阳能并将其传输回地球，是人类几十年来一直的梦想，历经多种尝试之后它进展缓慢。要么是因为需要巨额投资，要么是因为没有足够先进的技术，要么是因为没有人作出政治或商业决策来推动如此宏大的项目。

而在这个“万物无线传输”的时代，工程师们正试图完成“断线”的终极行动:在太空中将太阳能以微波形式传输到地面，不需要任何电缆。

半个多世纪以前，《科学》杂志上发表了一篇题为《来自太阳的能量》的文章，阐述了长距离无线输电的基本原理。

而天基太阳能（Space-based Solar Power，简称SBSP）概念最早在1968年由捷克裔美国科学家、NASA工程师彼得·格拉泽（Peter Glazer）提出，其原理是将太阳能电池板发射到距离地面3.6万公里的地球同步轨道上，以用于发电。在这个过程中，电池板接收到的太阳能需要转换成微波形式，然后发送到地面接收站，再将其转换成电能。

天基太阳能实现原理

与地面上的太阳光能容易受到环境条件波动影响相比，天基太阳能具有多种优势。例如，它可以全天候运行、收集来自太阳的能量辐射；由于高度足够，云层也不再成为干扰因素；在传输到地面接收站后，它也允许在电网之间灵活、快速地调度电力。因此，天基太阳能被普遍认为代表着一种潜在的无限可再生能源供应。

现在，这种利用太阳能的方式终于要经受实际考验了。

6月1日，美国加州理工学院宣布，今年1月3日该校的一个研发团队发射的“天基太阳能演示器一号”（简称SSPD-1），已将微波束的一部分能量发送到了地球的接收器上。它于5月启动，并开始发回令人鼓舞的早期结果。

加州理工学院的电气工程师Ali Hajimiri是天基太阳能示范项目的负责人之一，他站在两代微波发射技术发电机之间:右边是最早的设计，左边是更新的、更轻便、灵活的版本

“人们意识到，这不仅仅是科幻小说，”加州理工学院电气工程师Ali Hajimiri说，他是该演示项目的负责人之一。“或许有办法让这成为现实。”

SSPD（Space Solar Power Demonstrator）项目创始于2011 年，由当时加州理工学院董事会的终身成员 Donald Bren与加州理工学院当时的校长 Jean-Lou Chameau共同创建。

Bren是欧文（Irvine）公司的董事长、房地产开发商、慈善家。他和他的妻子在过去十年里，向加州理工学院捐赠了1亿多美元资助该项目，而Northrop Grumman公司则提供了另外的 1250 万美元。

许多年前，Bren被《大众科学（Popular Science）》杂志上的一篇关于在太空中收集太阳能的文章迷住了。他说:“我一直梦想着来自太空的太阳能能够解决人类面临的一些最紧迫的挑战。”

加州理工学院研究人员建造的SSPD-1正在开展在轨测试。图片来源：Caltech/Space Solar Power Project

今年1月3日，SSPD-1通过SpaceX Falcon 9火箭发射升空，并由Vigoride航天器（由航空航天公司 Momentus 提供）部署。

如何从太空发射采集到的太阳能

工程师们一直希望在同步轨道上收集清洁、廉价的太阳能，并将其发回地球。加州理工学院的一个小组目前正在测试超轻结构和柔性电子器件，最终可能使这一想法成为现实。

“这种能量传输技术与手机无线充电的技术基本相同。”位于华盛顿特区的美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory,简称NRL）高级项目组负责人Chris Rodenbeck说。

2021年，Rodenbeck和他的合作者在马里兰州Blossom Point陆军研究基地，从发射机向1000米开外的接收器发送了一束1.6千瓦的微波（类似用于Wi-Fi信号的微波，但频率更高）。研究人员说，他们使用微波是因为其可以在空气中自由传播，不受天气影响。然而，目前还没有人在地球同步轨道上完成过类似的壮举。

NRL一直在用面包条大小的装置——光伏射频天线模块（PRAM）在太空中试验能量传输技术。它搭载在美国空军的X-37B航天飞机上，在去年返回地球之前，它有效地将阳光转化为微波，但实际上并没有将微波传输到任何地方。

Rodenbeck正在进行一个名为Arachne的后续项目，由俄亥俄州代顿市的空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）运营。Arachne是为了解决更具挑战性的任务而设计，即从同步轨道向地面基站传输电力。这个项目计划于2025年启动。

美国海军研究实验室的Chris DePuma正在监测光伏射频天线模块(PRAM)的性能。它最近登上了X-37B太空飞机，进行了用有效方法将太阳能转化为微波的实验。摄影:jonathan steffen/美国海军

加州理工学院的团队正试图通过同时测试多种成本更低的技术来加速这一进程。加州理工学院示范项目的关键部件之一，是一个名为MAPLE的能量束发射器样机，MAPLE是Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment的缩写，意为用于低轨道能量传输实验的微波阵列。

Hajimiri说，这个装置会产生微波，并将它们从卫星的一个部分传输到另一个部分，点亮两个LED测试灯。虽然行进距离很短，大约只有30厘米，但这是第一次有记录的太空能量传输演示。该装置还向地球传输了微波，并被加州理工学院的地面探测器接收到。

目前MAPLE实验只是在太空中试图单独点亮每个LED，并来回切换测试，且该实验也不是密封环境，也能考验是否能撑过太空恶劣环境，包括宽温度波动和太阳辐射。

MAPLE有一种新颖的模块化设计，可以将太阳能收集器和发射器组合成一个独立装置。这种方法可以帮助解决建造太阳能卫星最令人生畏的障碍之一——令人震惊的尺寸要求。要达到地球上一个中型发电厂的发电量，一颗太阳能卫星至少需要2.6平方公里的集光面积。

这种太阳能发电方式也不便宜，毕竟要把太阳能板发射到太空，均化成本（LCoE）落在每度电1-2美元之间，几乎是美国零售电价的6倍。

加州理工学院的研究小组并没有试图一下子建造如此庞大的结构，而是设想将许多小型的收集器-发射器串在一起，形成可扩展的结构。

它们将一起工作，不需要复杂的布线和沉重的中央天线。“这是一个范式的转变，”Hajimiri说。“我用的比喻是从一头大象到一群蚂蚁。”

每个SSPP单元重约50公斤，与通常重量在10到100公斤之间的微型卫星相当。每个单元折叠成体积约1立方米的包裹，展开后，其直径约为50米的物体，一侧是太阳能电池，另一侧是无线电力发射器。

加州理工学院的另一项实验，提出了一种轻便、简单的方法，来将整个收集太阳能的卫星连接在一起。

加州理工学院的航空工程师Sergio Pellegrino领导了另一项示范实验，他已经开发出了0.01克/平方厘米的可扩展空间结构。样机被装在卫星上的一个紧实的圆柱体中。它可以弹出，形成一组稳定的方形框架，面积大概是1.8米×1.8米。“这是我们对结构和机构进行测试的最小规模。”Pellegrino说。

像MAPLE一样，它的设计可以扩展到大得多的尺寸。“这是一个会正常老化的系统，”Pellegrino补充道。“如果出现故障，例如碰到微小陨石或类似的东西，可能只是是一个较小的、局部的损坏，而不是全局性的损坏。”

加州理工学院的MAPLE能量束发射器样机，最近在太空中进行了首次可感知的能量传输，机载网络摄像头对其进行了监控。右边的发射器产生一束可操纵的微波，并将其对准左边的接收器，接收器将这些微波转化为电能。两个LED亮了起来，证明实验成功了。图片来源:太空太阳能项目/加州理工学院

为了将能量传送到地球，加州理工学院研究团队将采用与Blossom Point实验相同的方法。太阳能卫星将电能转换成微波信号，并将其传输给接收器——在这种情况下，在地球上的接收器可能在数百或数千公里之外。接收器将收集微波，并使用电子设备将微波转换回电能。大多数太阳能卫星理论上也使用这种方法。

然而，对于这些来自太空的太阳能到达地面后的用途，众说纷纭。

NRL的Rodenbeck看到了天基太阳能在军事方面的用途，比如将能量传送到作战地点，这样作战部队就不必依赖脆弱的燃料卡车车队。

Hajimiri的设想是，制造一个城市街区那么大的柔性天线，在自然灾害发生后提供紧急能量传输，或者为撒哈拉以南非洲偏远地区等没有电网的地区供电。

欧洲航天局Solaris 天基太阳能项目的负责人Sanjay Vijendran正在制定一项雄心勃勃的计划，计划建造一批太阳能卫星，直接向欧洲电网供电。“我们希望为减缓气候变化做出重大贡献。”他说。

将天基太阳能带给大众，不仅需要大量的卫星，还需要大量的地面接收天线场。根据研究罗兰贝格（Roland Berger）资助的一份太阳能公司的报告显示，2千兆瓦的能量束功率需要面积大约65平方公里的接收器。

Vijendran认识到，有必要对所有可能的危险进行彻底调查，从对健康的影响到损害。关于微波安全性的研究有很多，但迄今为止，基于太空的微波传输还不是重点。他说:“人们需要看到每个人都做了自己的尽职调查，并最终证明这些东西是无害的，或者有可能造成伤害。”

还有一个问题是，客户需要为太空太阳能发电支付多少费用。罗兰贝格认为，这可能是“一种具有成本竞争力的可再生技术”，但在很大程度上这取决于太空能量发射装置和其他电子设备成本的下降。

尽管如此，加州理工学院Pellegrino认为，别无选择，只能全力以赴地测试这项技术。他说:“我们迫切需要大量的清洁能源，而这可以帮助我们实现这一目标。”

其他国家的研发争先恐后

其他国家和地区的相关努力也得到了推动。国际电气与电子工程师协会（IEEE）终身会士Raul Colcher指出，如今在欧洲、日本、俄罗斯、中国、韩国和印度等国家和地区，“都在进行与这一技术相关的非常积极的研究项目”。

据悉，欧洲航天局的设想是在地球同步轨道大规模铺设太阳能发电场，它们将由低成本、可重复使用的发射器——如SpaceX的星际飞船——发射升空，然后再由机器人在太空中组装。这个研究计划涉及大量机构和组织，包括空中客车公司和萨里卫星技术公司等企业，以及剑桥大学等机构。

欧洲航天局正在研究在轨太阳能电池阵列向地球传输可再生能源的可能性。插画中，艺术家展现了这一能源传输过程。图片来源：European SPS Tower concept

英国已为天基太阳能（SBSP）技术开发提供了600万英镑资金。在这项技术中，地球同步卫星被用来收集阳光，利用阳光产生太阳能电力，并通过无线电力传输（WPT）将产生的电力安全、可靠地传输回地球。英国希望在2030年进行太空太阳能电站的第一次在轨演示，以便在2040年向其电网输电。

在小范围内，SBSP理论此前已经得到证明。2022年9月，空客公司制成绿氢，并通过在两个站点之间发射36米的微波，使一个模型城市变得栩栩如生，但困难也是存在的。空客公司团队的Jean-Dominique Coste表示："如果卫星要收集阳光，它们需要约2公里的直径才能产生与核电站相同的功率水平。”

早在2013年，中国就开始推动太空太阳能发电站的研究工作，2014年，“逐日行动”项目负责人西安电子科技大学段宝岩院士团队提出了欧米伽（OMEGA）空间太阳能电站设计方案。这一设计方案与美国的阿尔法（ALPHA）设计方案相比，具备三个优势：控制难度下降，散热压力减轻，功质比（天上系统的单位质量所产生的电）提高约24%。

2017年中国首个空间太阳能发电站相关实验室在西安电子科技大学挂牌成立，2018年正式启动空间太阳能发电站研究项目，这个项目有一个十分中国化的名字“逐日工程”。

2019年1月9日，“逐日工程”空间太阳能电站系统项目在西安电子科技大学正式启动。其地面验证系统位于西电南校区，其支撑塔为75m高的钢结构。验证系统主要包括五大子系统：欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。

2022年6月5日，该团队的世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收。这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

早在2003年，日本航天开发局（JAXA）就制定出太空太阳能电站发展路线图。在2015年，日本取得了一次突破，JAXA的科学家成功地将1.8千瓦的电力传输到了50多米外的无线接收器上，相当于一个电水壶所需的能量。

最近，据日经新闻道，一个由日本公私合作组成的伙伴关系计划于2025年开始尝试从太空传输太阳能。这个项目由京都大学的篠原直树教授领导，计划在地球轨道上部署一系列小型卫星，然后尝试将这些卫星收集到的太阳能传输到数百公里外的地面接收站。

日本正在研发的携带大规模太阳能收集器的太空太阳能电池板系统

然而，要实现这项技术仍然面临一些挑战。即使日本成功地部署了一组同步轨道太阳能板，要制造出能够产生1千兆瓦电力的阵列(相当于一个核反应堆的输出)，需要的电池板面积相当于一个边长为2公里的正方形，所需要花费的预算约1万亿日元。

所有这些项目的核心挑战之一是，找到一种安全、高效和可靠的方式，将千兆瓦级的能量传输到地面，并将其转换成人们可以使用的电能。

微波束是最受欢迎的技术，很大程度上是因为其能在空气中自由传播，而不受天气的影响。虽然与微波炉中使用的微波束类似，但远没有那么集中。

欧盟委员会最近的一项研究发现，从太空射过来的微波束微弱而分散，不会损害人体健康。不过，一些参与这些项目的人表示，要让公众接受，还需要进一步的深入研究。