太空太陽能發電站來了
撰文/ 錢亞光編輯/ 黃大路設計/ 趙昊然
來源/ 華爾街日報、日經新聞、Nature Portfolio、Geo Spatial World、Dezeen、Engadget；作者：Corey S. Powell ，Elizabeth Gibney等
在太空中捕獲太陽能並將其傳輸回地球，是人類幾十年來一直的夢想，歷經多種嘗試之後它進展緩慢。要麼是因爲需要鉅額投資，要麼是因爲沒有足夠先進的技術，要麼是因爲沒有人作出政治或商業決策來推動如此宏大的項目。
而在這個“萬物無線傳輸”的時代，工程師們正試圖完成“斷線”的終極行動:在太空中將太陽能以微波形式傳輸到地面，不需要任何電纜。
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半個多世紀（參數丨圖片）以前，《科學》雜誌上發表了一篇題爲《來自太陽的能量》的文章，闡述了長距離無線輸電的基本原理。
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而天基太陽能（Space-based Solar Power，簡稱SBSP）概念最早在1968年由捷克裔美國科學家、NASA工程師彼得·格拉澤（Peter Glazer）提出，其原理是將太陽能電池板發射到距離地面3.6萬公里的地球同步軌道上，以用於發電。在這個過程中，電池板接收到的太陽能需要轉換成微波形式，然後發送到地面接收站，再將其轉換成電能。
天基太陽能實現原理
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與地面上的太陽光能容易受到環境條件波動影響相比，天基太陽能具有多種優勢。例如，它可以全天候運行、收集來自太陽的能量輻射；由於高度足夠，雲層也不再成爲干擾因素；在傳輸到地面接收站後，它也允許在電網之間靈活、快速地調度電力。因此，天基太陽能被普遍認爲代表着一種潛在的無限可再生能源供應。
現在，這種利用太陽能的方式終於要經受實際考驗了。
6月1日，美國加州理工學院宣佈，今年1月3日該校的一個研發團隊發射的“天基太陽能演示器一號”（簡稱SSPD-1），已將微波束的一部分能量發送到了地球的接收器上。它於5月啓動，並開始發回令人鼓舞的早期結果。
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加州理工學院的電氣工程師Ali Hajimiri是天基太陽能示範項目的負責人之一，他站在兩代微波發射技術發電機之間:右邊是最早的設計，左邊是更新的、更輕便、靈活的版本
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“人們意識到，這不僅僅是科幻小說，”加州理工學院電氣工程師Ali Hajimiri說，他是該演示項目的負責人之一。“或許有辦法讓這成爲現實。”
SSPD（Space Solar Power Demonstrator）項目創始於2011 年，由當時加州理工學院董事會的終身成員 Donald Bren與加州理工學院當時的校長 Jean-Lou Chameau共同創建。
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Bren是歐文（Irvine）公司的董事長、房地產開發商、慈善家。他和他的妻子在過去十年裡，向加州理工學院捐贈了1億多美元資助該項目，而Northrop Grumman公司則提供了另外的 1250 萬美元。
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許多年前，Bren被《大衆科學（Popular Science）》雜誌上的一篇關於在太空中收集太陽能的文章迷住了。他說:“我一直夢想着來自太空的太陽能能夠解決人類面臨的一些最緊迫的挑戰。”
加州理工學院研究人員建造的SSPD-1正在開展在軌測試。圖片來源：Caltech/Space Solar Power Project
今年1月3日，SSPD-1通過SpaceX Falcon 9火箭發射升空，並由Vigoride航天器（由航空航天公司 Momentus 提供）部署。
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如何從太空發射採集到的太陽能
工程師們一直希望在同步軌道上收集清潔、廉價的太陽能，並將其發回地球。加州理工學院的一個小組目前正在測試超輕結構和柔性電子器件，最終可能使這一想法成爲現實。
“這種能量傳輸技術與手機無線充電的技術基本相同。”位於華盛頓特區的美國海軍研究實驗室（U.S. Naval Research Laboratory,簡稱NRL）高級項目組負責人Chris Rodenbeck說。
2021年，Rodenbeck和他的合作者在馬里蘭州Blossom Point陸軍研究基地，從發射機向1000米開外的接收器發送了一束1.6千瓦的微波（類似用於Wi-Fi信號的微波，但頻率更高）。研究人員說，他們使用微波是因爲其可以在空氣中自由傳播，不受天氣影響。然而，目前還沒有人在地球同步軌道上完成過類似的壯舉。
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NRL一直在用麪包條大小的裝置——光伏射頻天線模塊（PRAM）在太空中試驗能量傳輸技術。它搭載在美國空軍的X-37B航天飛機上，在去年返回地球之前，它有效地將陽光轉化爲微波，但實際上並沒有將微波傳輸到任何地方。
Rodenbeck正在進行一個名爲Arachne的後續項目，由俄亥俄州代頓市的空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory）運營。Arachne是爲了解決更具挑戰性的任務而設計，即從同步軌道向地面基站傳輸電力。這個項目計劃於2025年啓動。
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美國海軍研究實驗室的Chris DePuma正在監測光伏射頻天線模塊(PRAM)的性能。它最近登上了X-37B太空飛機，進行了用有效方法將太陽能轉化爲微波的實驗。攝影:jonathan steffen/美國海軍
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加州理工學院的團隊正試圖通過同時測試多種成本更低的技術來加速這一進程。加州理工學院示範項目的關鍵部件之一，是一個名爲MAPLE的能量束髮射器樣機，MAPLE是Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment的縮寫，意爲用於低軌道能量傳輸實驗的微波陣列。
Hajimiri說，這個裝置會產生微波，並將它們從衛星的一個部分傳輸到另一個部分，點亮兩個LED測試燈。雖然行進距離很短，大約只有30釐米，但這是第一次有記錄的太空能量傳輸演示。該裝置還向地球傳輸了微波，並被加州理工學院的地面探測器接收到。
目前MAPLE實驗只是在太空中試圖單獨點亮每個LED，並來回切換測試，且該實驗也不是密封環境，也能考驗是否能撐過太空惡劣環境，包括寬溫度波動和太陽輻射。
MAPLE有一種新穎的模塊化設計，可以將太陽能收集器和發射器組合成一個獨立裝置。這種方法可以幫助解決建造太陽能衛星最令人生畏的障礙之一——令人震驚的尺寸要求。要達到地球上一個中型發電廠的發電量，一顆太陽能衛星至少需要2.6平方公里的集光面積。
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這種太陽能發電方式也不便宜，畢竟要把太陽能板發射到太空，均化成本（LCoE）落在每度電1-2美元之間，幾乎是美國零售電價的6倍。
加州理工學院的研究小組並沒有試圖一下子建造如此龐大的結構，而是設想將許多小型的收集器-發射器串在一起，形成可擴展的結構。
它們將一起工作，不需要複雜的佈線和沉重的中央天線。“這是一個範式的轉變，”Hajimiri說。“我用的比喻是從一頭大象到一羣螞蟻。”
每個SSPP單元重約50公斤，與通常重量在10到100公斤之間的微型衛星相當。每個單元摺疊成體積約1立方米的包裹，展開後，其直徑約爲50米的物體，一側是太陽能電池，另一側是無線電力發射器。
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加州理工學院的另一項實驗，提出了一種輕便、簡單的方法，來將整個收集太陽能的衛星連接在一起。
加州理工學院的航空工程師Sergio Pellegrino領導了另一項示範實驗，他已經開發出了0.01克/平方釐米的可擴展空間結構。樣機被裝在衛星上的一個緊實的圓柱體中。它可以彈出，形成一組穩定的方形框架，面積大概是1.8米×1.8米。“這是我們對結構和機構進行測試的最小規模。”Pellegrino說。
像MAPLE一樣，它的設計可以擴展到大得多的尺寸。“這是一個會正常老化的系統，”Pellegrino補充道。“如果出現故障，例如碰到微小隕石或類似的東西，可能只是是一個較小的、局部的損壞，而不是全局性的損壞。”
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加州理工學院的MAPLE能量束髮射器樣機，最近在太空中進行了首次可感知的能量傳輸，機載網絡攝像頭對其進行了監控。右邊的發射器產生一束可操縱的微波，並將其對準左邊的接收器，接收器將這些微波轉化爲電能。兩個LED亮了起來，證明實驗成功了。圖片來源:太空太陽能項目/加州理工學院
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爲了將能量傳送到地球，加州理工學院研究團隊將採用與Blossom Point實驗相同的方法。太陽能衛星將電能轉換成微波信號，並將其傳輸給接收器——在這種情況下，在地球上的接收器可能在數百或數千公里之外。接收器將收集微波，並使用電子設備將微波轉換回電能。大多數太陽能衛星理論上也使用這種方法。
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然而，對於這些來自太空的太陽能到達地面後的用途，衆說紛紜。
NRL的Rodenbeck看到了天基太陽能在軍事方面的用途，比如將能量傳送到作戰地點，這樣作戰部隊就不必依賴脆弱的燃料卡車車隊。
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Hajimiri的設想是，製造一個城市街區那麼大的柔性天線，在自然災害發生後提供緊急能量傳輸，或者爲撒哈拉以南非洲偏遠地區等沒有電網的地區供電。
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歐洲航天局Solaris 天基太陽能項目的負責人Sanjay Vijendran正在制定一項雄心勃勃的計劃，計劃建造一批太陽能衛星，直接向歐洲電網供電。“我們希望爲減緩氣候變化做出重大貢獻。”他說。
將天基太陽能帶給大衆，不僅需要大量的衛星，還需要大量的地面接收天線場。根據研究羅蘭貝格（Roland Berger）資助的一份太陽能公司的報告顯示，2千兆瓦的能量束功率需要面積大約65平方公里的接收器。
Vijendran認識到，有必要對所有可能的危險進行徹底調查，從對健康的影響到損害。關於微波安全性的研究有很多，但迄今爲止，基於太空的微波傳輸還不是重點。他說:“人們需要看到每個人都做了自己的盡職調查，並最終證明這些東西是無害的，或者有可能造成傷害。”
還有一個問題是，客戶需要爲太空太陽能發電支付多少費用。羅蘭貝格認爲，這可能是“一種具有成本競爭力的可再生技術”，但在很大程度上這取決於太空能量發射裝置和其他電子設備成本的下降。
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儘管如此，加州理工學院Pellegrino認爲，別無選擇，只能全力以赴地測試這項技術。他說:“我們迫切需要大量的清潔能源，而這可以幫助我們實現這一目標。”
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其他國家的研發爭先恐後
其他國家和地區的相關努力也得到了推動。國際電氣與電子工程師協會（IEEE）終身會士Raul Colcher指出，如今在歐洲、日本、俄羅斯、中國、韓國和印度等國家和地區，“都在進行與這一技術相關的非常積極的研究項目”。
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據悉，歐洲航天局的設想是在地球同步軌道大規模鋪設太陽能發電場，它們將由低成本、可重複使用的發射器——如SpaceX的星際飛船——發射升空，然後再由機器人在太空中組裝。這個研究計劃涉及大量機構和組織，包括空中客車公司和薩里衛星技術公司等企業，以及劍橋大學等機構。
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歐洲航天局正在研究在軌太陽能電池陣列向地球傳輸可再生能源的可能性。插畫中，藝術家展現了這一能源傳輸過程。圖片來源：European SPS Tower concept
英國已爲天基太陽能（SBSP）技術開發提供了600萬英鎊資金。在這項技術中，地球同步衛星被用來收集陽光，利用陽光產生太陽能電力，並通過無線電力傳輸（WPT）將產生的電力安全、可靠地傳輸回地球。英國希望在2030年進行太空太陽能電站的第一次在軌演示，以便在2040年向其電網輸電。
在小範圍內，SBSP理論此前已經得到證明。2022年9月，空客公司製成綠氫，並通過在兩個站點之間發射36米的微波，使一個模型城市變得栩栩如生，但困難也是存在的。空客公司團隊的Jean-Dominique Coste表示：”如果衛星要收集陽光，它們需要約2公里的直徑才能產生與核電站相同的功率水平。”
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早在2013年，中國就開始推動太空太陽能發電站的研究工作，2014年，“逐日行動”項目負責人西安電子科技大學段寶巖院士團隊提出了歐米伽（OMEGA）空間太陽能電站設計方案。這一設計方案與美國的阿爾法（ALPHA）設計方案相比，具備三個優勢：控制難度下降，散熱壓力減輕，功質比（天上系統的單位質量所產生的電）提高約24%。
2017年中國首個空間太陽能發電站相關實驗室在西安電子科技大學掛牌成立，2018年正式啓動空間太陽能發電站研究項目，這個項目有一個十分中國化的名字“逐日工程”。
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2019年1月9日，“逐日工程”空間太陽能電站系統項目在西安電子科技大學正式啓動。其地面驗證系統位於西電南校區，其支撐塔爲75m高的鋼結構。驗證系統主要包括五大子系統：歐米伽聚光與光電轉換、電力傳輸與管理、射頻發射天線、接收與整流天線、控制與測量。
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2022年6月5日，該團隊的世界首個全鏈路全系統的空間太陽能電站地面驗證系統順利通過專家組驗收。這一驗證系統突破並驗證了高效率聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流、靈巧機械結構設計等多項關鍵技術。
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早在2003年，日本航天開發局（JAXA）就制定出太空太陽能電站發展路線圖。在2015年，日本取得了一次突破，JAXA的科學家成功地將1.8千瓦的電力傳輸到了50多米外的無線接收器上，相當於一個電水壺所需的能量。
最近，據日經新聞道，一個由日本公私合作組成的夥伴關係計劃於2025年開始嘗試從太空傳輸太陽能。這個項目由京都大學的篠原直樹教授領導，計劃在地球軌道上部署一系列小型衛星，然後嘗試將這些衛星收集到的太陽能傳輸到數百公里外的地面接收站。
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然而，要實現這項技術仍然面臨一些挑戰。即使日本成功地部署了一組同步軌道太陽能板，要製造出能夠產生1千兆瓦電力的陣列(相當於一個核反應堆的輸出)，需要的電池板面積相當於一個邊長爲2公里的正方形，所需要花費的預算約1萬億日元。
所有這些項目的核心挑戰之一是，找到一種安全、高效和可靠的方式，將千兆瓦級的能量傳輸到地面，並將其轉換成人們可以使用的電能。
微波束是最受歡迎的技術，很大程度上是因爲其能在空氣中自由傳播，而不受天氣的影響。雖然與微波爐中使用的微波束類似，但遠沒有那麼集中。
歐盟委員會最近的一項研究發現，從太空射過來的微波束微弱而分散，不會損害人體健康。不過，一些參與這些項目的人表示，要讓公衆接受，還需要進一步的深入研究。
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