撰文/ 錢亞光編輯/ 黃大路設(shè)計(jì)/ 趙昊然

來(lái)源/ 華爾街日?qǐng)?bào)、日經(jīng)新聞、Nature Portfolio、Geo Spatial World、Dezeen、Engadget；作者：Corey S. Powell ，Elizabeth Gibney等

(資料圖片)

在太空中捕獲太陽(yáng)能并將其傳輸回地球，是人類幾十年來(lái)一直的夢(mèng)想，歷經(jīng)多種嘗試之后它進(jìn)展緩慢。要么是因?yàn)樾枰揞~投資，要么是因?yàn)闆](méi)有足夠先進(jìn)的技術(shù)，要么是因?yàn)闆](méi)有人作出政治或商業(yè)決策來(lái)推動(dòng)如此宏大的項(xiàng)目。

而在這個(gè)“萬(wàn)物無(wú)線傳輸”的時(shí)代，工程師們正試圖完成“斷線”的終極行動(dòng):在太空中將太陽(yáng)能以微波形式傳輸?shù)降孛?，不需要任何電纜。

半個(gè)多世紀(jì)（參數(shù)丨圖片）以前，《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《來(lái)自太陽(yáng)的能量》的文章，闡述了長(zhǎng)距離無(wú)線輸電的基本原理。

而天基太陽(yáng)能（Space-based Solar Power，簡(jiǎn)稱SBSP）概念最早在1968年由捷克裔美國(guó)科學(xué)家、NASA工程師彼得·格拉澤（Peter Glazer）提出，其原理是將太陽(yáng)能電池板發(fā)射到距離地面3.6萬(wàn)公里的地球同步軌道上，以用于發(fā)電。在這個(gè)過(guò)程中，電池板接收到的太陽(yáng)能需要轉(zhuǎn)換成微波形式，然后發(fā)送到地面接收站，再將其轉(zhuǎn)換成電能。

天基太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)原理

與地面上的太陽(yáng)光能容易受到環(huán)境條件波動(dòng)影響相比，天基太陽(yáng)能具有多種優(yōu)勢(shì)。例如，它可以全天候運(yùn)行、收集來(lái)自太陽(yáng)的能量輻射；由于高度足夠，云層也不再成為干擾因素；在傳輸?shù)降孛娼邮照竞?，它也允許在電網(wǎng)之間靈活、快速地調(diào)度電力。因此，天基太陽(yáng)能被普遍認(rèn)為代表著一種潛在的無(wú)限可再生能源供應(yīng)。

現(xiàn)在，這種利用太陽(yáng)能的方式終于要經(jīng)受實(shí)際考驗(yàn)了。

6月1日，美國(guó)加州理工學(xué)院宣布，今年1月3日該校的一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)射的“天基太陽(yáng)能演示器一號(hào)”（簡(jiǎn)稱SSPD-1），已將微波束的一部分能量發(fā)送到了地球的接收器上。它于5月啟動(dòng)，并開(kāi)始發(fā)回令人鼓舞的早期結(jié)果。

加州理工學(xué)院的電氣工程師Ali Hajimiri是天基太陽(yáng)能示范項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一，他站在兩代微波發(fā)射技術(shù)發(fā)電機(jī)之間:右邊是最早的設(shè)計(jì)，左邊是更新的、更輕便、靈活的版本

“人們意識(shí)到，這不僅僅是科幻小說(shuō)，”加州理工學(xué)院電氣工程師Ali Hajimiri說(shuō)，他是該演示項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人之一?！盎蛟S有辦法讓這成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

SSPD（Space Solar Power Demonstrator）項(xiàng)目創(chuàng)始于2011 年，由當(dāng)時(shí)加州理工學(xué)院董事會(huì)的終身成員 Donald Bren與加州理工學(xué)院當(dāng)時(shí)的校長(zhǎng) Jean-Lou Chameau共同創(chuàng)建。

Bren是歐文（Irvine）公司的董事長(zhǎng)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、慈善家。他和他的妻子在過(guò)去十年里，向加州理工學(xué)院捐贈(zèng)了1億多美元資助該項(xiàng)目，而Northrop Grumman公司則提供了另外的 1250 萬(wàn)美元。

許多年前，Bren被《大眾科學(xué)（Popular Science）》雜志上的一篇關(guān)于在太空中收集太陽(yáng)能的文章迷住了。他說(shuō):“我一直夢(mèng)想著來(lái)自太空的太陽(yáng)能能夠解決人類面臨的一些最緊迫的挑戰(zhàn)。”

加州理工學(xué)院研究人員建造的SSPD-1正在開(kāi)展在軌測(cè)試。圖片來(lái)源：Caltech/Space Solar Power Project

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

如何從太空發(fā)射采集到的太陽(yáng)能

工程師們一直希望在同步軌道上收集清潔、廉價(jià)的太陽(yáng)能，并將其發(fā)回地球。加州理工學(xué)院的一個(gè)小組目前正在測(cè)試超輕結(jié)構(gòu)和柔性電子器件，最終可能使這一想法成為現(xiàn)實(shí)。

“這種能量傳輸技術(shù)與手機(jī)無(wú)線充電的技術(shù)基本相同。”位于華盛頓特區(qū)的美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Naval Research Laboratory,簡(jiǎn)稱NRL）高級(jí)項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人Chris Rodenbeck說(shuō)。

2021年，Rodenbeck和他的合作者在馬里蘭州Blossom Point陸軍研究基地，從發(fā)射機(jī)向1000米開(kāi)外的接收器發(fā)送了一束1.6千瓦的微波（類似用于Wi-Fi信號(hào)的微波，但頻率更高）。研究人員說(shuō)，他們使用微波是因?yàn)槠淇梢栽诳諝庵凶杂蓚鞑?，不受天氣影響。然而，目前還沒(méi)有人在地球同步軌道上完成過(guò)類似的壯舉。

NRL一直在用面包條大小的裝置——光伏射頻天線模塊（PRAM）在太空中試驗(yàn)?zāi)芰總鬏敿夹g(shù)。它搭載在美國(guó)空軍的X-37B航天飛機(jī)上，在去年返回地球之前，它有效地將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為微波，但實(shí)際上并沒(méi)有將微波傳輸?shù)饺魏蔚胤健?/p>

Rodenbeck正在進(jìn)行一個(gè)名為Arachne的后續(xù)項(xiàng)目，由俄亥俄州代頓市的空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory）運(yùn)營(yíng)。Arachne是為了解決更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)而設(shè)計(jì)，即從同步軌道向地面基站傳輸電力。這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃于2025年啟動(dòng)。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Chris DePuma正在監(jiān)測(cè)光伏射頻天線模塊(PRAM)的性能。它最近登上了X-37B太空飛機(jī)，進(jìn)行了用有效方法將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為微波的實(shí)驗(yàn)。攝影:jonathan steffen/美國(guó)海軍

加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)正試圖通過(guò)同時(shí)測(cè)試多種成本更低的技術(shù)來(lái)加速這一進(jìn)程。加州理工學(xué)院示范項(xiàng)目的關(guān)鍵部件之一，是一個(gè)名為MAPLE的能量束發(fā)射器樣機(jī)，MAPLE是Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment的縮寫，意為用于低軌道能量傳輸實(shí)驗(yàn)的微波陣列。

Hajimiri說(shuō)，這個(gè)裝置會(huì)產(chǎn)生微波，并將它們從衛(wèi)星的一個(gè)部分傳輸?shù)搅硪粋€(gè)部分，點(diǎn)亮兩個(gè)LED測(cè)試燈。雖然行進(jìn)距離很短，大約只有30厘米，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，并被加州理工學(xué)院的地面探測(cè)器接收到。

目前MAPLE實(shí)驗(yàn)只是在太空中試圖單獨(dú)點(diǎn)亮每個(gè)LED，并來(lái)回切換測(cè)試，且該實(shí)驗(yàn)也不是密封環(huán)境，也能考驗(yàn)是否能撐過(guò)太空惡劣環(huán)境，包括寬溫度波動(dòng)和太陽(yáng)輻射。

MAPLE有一種新穎的模塊化設(shè)計(jì)，可以將太陽(yáng)能收集器和發(fā)射器組合成一個(gè)獨(dú)立裝置。這種方法可以幫助解決建造太陽(yáng)能衛(wèi)星最令人生畏的障礙之一——令人震驚的尺寸要求。要達(dá)到地球上一個(gè)中型發(fā)電廠的發(fā)電量，一顆太陽(yáng)能衛(wèi)星至少需要2.6平方公里的集光面積。

這種太陽(yáng)能發(fā)電方式也不便宜，畢竟要把太陽(yáng)能板發(fā)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(guó)零售電價(jià)的6倍。

加州理工學(xué)院的研究小組并沒(méi)有試圖一下子建造如此龐大的結(jié)構(gòu)，而是設(shè)想將許多小型的收集器-發(fā)射器串在一起，形成可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。

它們將一起工作，不需要復(fù)雜的布線和沉重的中央天線?！斑@是一個(gè)范式的轉(zhuǎn)變，”Hajimiri說(shuō)?！拔矣玫谋扔魇菑囊活^大象到一群螞蟻?！?/p>

每個(gè)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(wèi)星相當(dāng)。每個(gè)單元折疊成體積約1立方米的包裹，展開(kāi)后，其直徑約為50米的物體，一側(cè)是太陽(yáng)能電池，另一側(cè)是無(wú)線電力發(fā)射器。

加州理工學(xué)院的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，提出了一種輕便、簡(jiǎn)單的方法，來(lái)將整個(gè)收集太陽(yáng)能的衛(wèi)星連接在一起。

加州理工學(xué)院的航空工程師Sergio Pellegrino領(lǐng)導(dǎo)了另一項(xiàng)示范實(shí)驗(yàn)，他已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了0.01克/平方厘米的可擴(kuò)展空間結(jié)構(gòu)。樣機(jī)被裝在衛(wèi)星上的一個(gè)緊實(shí)的圓柱體中。它可以彈出，形成一組穩(wěn)定的方形框架，面積大概是1.8米×1.8米。“這是我們對(duì)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試的最小規(guī)模?！盤ellegrino說(shuō)。

像MAPLE一樣，它的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到大得多的尺寸?！斑@是一個(gè)會(huì)正常老化的系統(tǒng)，”Pellegrino補(bǔ)充道?！叭绻霈F(xiàn)故障，例如碰到微小隕石或類似的東西，可能只是是一個(gè)較小的、局部的損壞，而不是全局性的損壞。”

加州理工學(xué)院的MAPLE能量束發(fā)射器樣機(jī)，最近在太空中進(jìn)行了首次可感知的能量傳輸，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)控。右邊的發(fā)射器產(chǎn)生一束可操縱的微波，并將其對(duì)準(zhǔn)左邊的接收器，接收器將這些微波轉(zhuǎn)化為電能。兩個(gè)LED亮了起來(lái)，證明實(shí)驗(yàn)成功了。圖片來(lái)源:太空太陽(yáng)能項(xiàng)目/加州理工學(xué)院

為了將能量傳送到地球，加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)將采用與Blossom Point實(shí)驗(yàn)相同的方法。太陽(yáng)能衛(wèi)星將電能轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)，并將其傳輸給接收器——在這種情況下，在地球上的接收器可能在數(shù)百或數(shù)千公里之外。接收器將收集微波，并使用電子設(shè)備將微波轉(zhuǎn)換回電能。大多數(shù)太陽(yáng)能衛(wèi)星理論上也使用這種方法。

然而，對(duì)于這些來(lái)自太空的太陽(yáng)能到達(dá)地面后的用途，眾說(shuō)紛紜。

NRL的Rodenbeck看到了天基太陽(yáng)能在軍事方面的用途，比如將能量傳送到作戰(zhàn)地點(diǎn)，這樣作戰(zhàn)部隊(duì)就不必依賴脆弱的燃料卡車車隊(duì)。

Hajimiri的設(shè)想是，制造一個(gè)城市街區(qū)那么大的柔性天線，在自然災(zāi)害發(fā)生后提供緊急能量傳輸，或者為撒哈拉以南非洲偏遠(yuǎn)地區(qū)等沒(méi)有電網(wǎng)的地區(qū)供電。

歐洲航天局Solaris 天基太陽(yáng)能項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Sanjay Vijendran正在制定一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，計(jì)劃建造一批太陽(yáng)能衛(wèi)星，直接向歐洲電網(wǎng)供電?！拔覀兿Ｍ麨闇p緩氣候變化做出重大貢獻(xiàn)?！彼f(shuō)。

將天基太陽(yáng)能帶給大眾，不僅需要大量的衛(wèi)星，還需要大量的地面接收天線場(chǎng)。根據(jù)研究羅蘭貝格（Roland Berger）資助的一份太陽(yáng)能公司的報(bào)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(rèn)識(shí)到，有必要對(duì)所有可能的危險(xiǎn)進(jìn)行徹底調(diào)查，從對(duì)健康的影響到損害。關(guān)于微波安全性的研究有很多，但迄今為止，基于太空的微波傳輸還不是重點(diǎn)。他說(shuō):“人們需要看到每個(gè)人都做了自己的盡職調(diào)查，并最終證明這些東西是無(wú)害的，或者有可能造成傷害?！?/p>

還有一個(gè)問(wèn)題是，客戶需要為太空太陽(yáng)能發(fā)電支付多少費(fèi)用。羅蘭貝格認(rèn)為，這可能是“一種具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的可再生技術(shù)”，但在很大程度上這取決于太空能量發(fā)射裝置和其他電子設(shè)備成本的下降。

盡管如此，加州理工學(xué)院Pellegrino認(rèn)為，別無(wú)選擇，只能全力以赴地測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)。他說(shuō):“我們迫切需要大量的清潔能源，而這可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

其他國(guó)家的研發(fā)爭(zhēng)先恐后

其他國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)努力也得到了推動(dòng)。國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）終身會(huì)士Raul Colcher指出，如今在歐洲、日本、俄羅斯、中國(guó)、韓國(guó)和印度等國(guó)家和地區(qū)，“都在進(jìn)行與這一技術(shù)相關(guān)的非常積極的研究項(xiàng)目”。

據(jù)悉，歐洲航天局的設(shè)想是在地球同步軌道大規(guī)模鋪設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)，它們將由低成本、可重復(fù)使用的發(fā)射器——如SpaceX的星際飛船——發(fā)射升空，然后再由機(jī)器人在太空中組裝。這個(gè)研究計(jì)劃涉及大量機(jī)構(gòu)和組織，包括空中客車公司和薩里衛(wèi)星技術(shù)公司等企業(yè)，以及劍橋大學(xué)等機(jī)構(gòu)。

歐洲航天局正在研究在軌太陽(yáng)能電池陣列向地球傳輸可再生能源的可能性。插畫中，藝術(shù)家展現(xiàn)了這一能源傳輸過(guò)程。圖片來(lái)源：European SPS Tower concept

英國(guó)已為天基太陽(yáng)能（SBSP）技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了600萬(wàn)英鎊資金。在這項(xiàng)技術(shù)中，地球同步衛(wèi)星被用來(lái)收集陽(yáng)光，利用陽(yáng)光產(chǎn)生太陽(yáng)能電力，并通過(guò)無(wú)線電力傳輸（WPT）將產(chǎn)生的電力安全、可靠地傳輸回地球。英國(guó)希望在2030年進(jìn)行太空太陽(yáng)能電站的第一次在軌演示，以便在2040年向其電網(wǎng)輸電。

在小范圍內(nèi)，SBSP理論此前已經(jīng)得到證明。2022年9月，空客公司制成綠氫，并通過(guò)在兩個(gè)站點(diǎn)之間發(fā)射36米的微波，使一個(gè)模型城市變得栩栩如生，但困難也是存在的?？湛凸緢F(tuán)隊(duì)的Jean-Dominique Coste表示："如果衛(wèi)星要收集陽(yáng)光，它們需要約2公里的直徑才能產(chǎn)生與核電站相同的功率水平。”

早在2013年，中國(guó)就開(kāi)始推動(dòng)太空太陽(yáng)能發(fā)電站的研究工作，2014年，“逐日行動(dòng)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團(tuán)隊(duì)提出了歐米伽（OMEGA）空間太陽(yáng)能電站設(shè)計(jì)方案。這一設(shè)計(jì)方案與美國(guó)的阿爾法（ALPHA）設(shè)計(jì)方案相比，具備三個(gè)優(yōu)勢(shì)：控制難度下降，散熱壓力減輕，功質(zhì)比（天上系統(tǒng)的單位質(zhì)量所產(chǎn)生的電）提高約24%。

2017年中國(guó)首個(gè)空間太陽(yáng)能發(fā)電站相關(guān)實(shí)驗(yàn)室在西安電子科技大學(xué)掛牌成立，2018年正式啟動(dòng)空間太陽(yáng)能發(fā)電站研究項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目有一個(gè)十分中國(guó)化的名字“逐日工程”。

2019年1月9日，“逐日工程”空間太陽(yáng)能電站系統(tǒng)項(xiàng)目在西安電子科技大學(xué)正式啟動(dòng)。其地面驗(yàn)證系統(tǒng)位于西電南校區(qū)，其支撐塔為75m高的鋼結(jié)構(gòu)。驗(yàn)證系統(tǒng)主要包括五大子系統(tǒng)：歐米伽聚光與光電轉(zhuǎn)換、電力傳輸與管理、射頻發(fā)射天線、接收與整流天線、控制與測(cè)量。

2022年6月5日，該團(tuán)隊(duì)的世界首個(gè)全鏈路全系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)順利通過(guò)專家組驗(yàn)收。這一驗(yàn)證系統(tǒng)突破并驗(yàn)證了高效率聚光與光電轉(zhuǎn)換、微波轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射與波形優(yōu)化、微波波束指向測(cè)量與控制、微波接收與整流、靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

早在2003年，日本航天開(kāi)發(fā)局（JAXA）就制定出太空太陽(yáng)能電站發(fā)展路線圖。在2015年，日本取得了一次突破，JAXA的科學(xué)家成功地將1.8千瓦的電力傳輸?shù)搅?0多米外的無(wú)線接收器上，相當(dāng)于一個(gè)電水壺所需的能量。

最近，據(jù)日經(jīng)新聞道，一個(gè)由日本公私合作組成的伙伴關(guān)系計(jì)劃于2025年開(kāi)始嘗試從太空傳輸太陽(yáng)能。這個(gè)項(xiàng)目由京都大學(xué)的篠原直樹(shù)教授領(lǐng)導(dǎo)，計(jì)劃在地球軌道上部署一系列小型衛(wèi)星，然后嘗試將這些衛(wèi)星收集到的太陽(yáng)能傳輸?shù)綌?shù)百公里外的地面接收站。

日本正在研發(fā)的攜帶大規(guī)模太陽(yáng)能收集器的太空太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)

然而，要實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)。即使日本成功地部署了一組同步軌道太陽(yáng)能板，要制造出能夠產(chǎn)生1千兆瓦電力的陣列(相當(dāng)于一個(gè)核反應(yīng)堆的輸出)，需要的電池板面積相當(dāng)于一個(gè)邊長(zhǎng)為2公里的正方形，所需要花費(fèi)的預(yù)算約1萬(wàn)億日元。

所有這些項(xiàng)目的核心挑戰(zhàn)之一是，找到一種安全、高效和可靠的方式，將千兆瓦級(jí)的能量傳輸?shù)降孛?，并將其轉(zhuǎn)換成人們可以使用的電能。

微波束是最受歡迎的技術(shù)，很大程度上是因?yàn)槠淠茉诳諝庵凶杂蓚鞑?，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(yuǎn)沒(méi)有那么集中。

歐盟委員會(huì)最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，從太空射過(guò)來(lái)的微波束微弱而分散，不會(huì)損害人體健康。不過(guò)，一些參與這些項(xiàng)目的人表示，要讓公眾接受，還需要進(jìn)一步的深入研究。

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