撰文/ 錢亞光編輯/ 黃大路設(shè)計(jì)/ 趙昊然

來源/ 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

在太空中捕獲太陽能并將其傳輸回地球，是人類幾十年來一直的夢想，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]有足夠先進(jìn)的技術(shù)，要么是因?yàn)闆]有人作出政治或商業(yè)決策來推動(dòng)如此宏大的項(xiàng)目。

(資料圖片僅供參考)

而在這個(gè)“萬物無線傳輸”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《來自太陽的能量》的文章，闡述了長距離無線輸電的基本原理。

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(xué)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(fā)射到距離地面3.6萬公里的地球同步軌道上，以用于發(fā)電。在這個(gè)過程中，電池板接收到的太陽能需要轉(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。

天基太陽能實(shí)現(xiàn)原理

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

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

6月1日，美國加州理工學(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“天基太陽能演示器一號(hào)”（簡稱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，”加州理工學(xué)院電氣工程師Ali Hajimiri說，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 Jean-Lou Chameau共同創(chuàng)建。

Bren是歐文（Irvine）公司的董事長、房地產(chǎn)開發(fā)商、慈善家。他和他的妻子在過去十年里，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能的文章迷住了。他說:“我一直夢想著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(zhàn)。”

加州理工學(xué)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(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)無線充電的技術(shù)基本相同。”位于華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Naval Research Laboratory,簡稱NRL）高級(jí)項(xiàng)目組負(fù)責(zé)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(fā)射機(jī)向1000米開外的接收器發(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，他們使用微波是因?yàn)槠淇梢栽诳諝庵凶杂蓚鞑ィ皇芴鞖庥绊?。然而，目前還沒有人在地球同步軌道上完成過類似的壯舉。

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，它有效地將陽光轉(zhuǎn)化為微波，但實(shí)際上并沒有將微波傳輸?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。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)。

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Chris DePuma正在監(jiān)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(jī)，進(jìn)行了用有效方法將太陽能轉(zhuǎn)化為微波的實(shí)驗(yàn)。攝影:jonathan steffen/美國海軍

加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)正試圖通過同時(shí)測試多種成本更低的技術(shù)來加速這一進(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，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，并來回切換測試，且該實(shí)驗(yàn)也不是密封環(huán)境，也能考驗(yàn)是否能撐過太空惡劣環(huán)境，包括寬溫度波動(dòng)和太陽輻射。

MAPLE有一種新穎的模塊化設(shè)計(jì)，可以將太陽能收集器和發(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，一顆太陽能衛(wèi)星至少需要2.6平方公里的集光面積。

這種太陽能發(fā)電方式也不便宜，畢竟要把太陽能板發(fā)射到太空，均化成本（LCoE）落在每度電1-2美元之間，幾乎是美國零售電價(jià)的6倍。

加州理工學(xué)院的研究小組并沒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。“這是一個(gè)范式的轉(zhuǎn)變，”Hajimiri說?！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，展開后，其直徑約為50米的物體，一側(cè)是太陽能電池，另一側(cè)是無線電力發(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、簡單的方法，來將整個(gè)收集太陽能的衛(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?！斑@是我們對(duì)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試的最小規(guī)模?！盤ellegrino說。

像MAPLE一樣，它的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到大得多的尺寸。“這是一個(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?！?/p>

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，證明實(shí)驗(yàn)成功了。圖片來源:太空太陽能項(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)太陽能衛(wèi)星理論上也使用這種方法。

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

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(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)等沒有電網(wǎng)的地區(qū)供電。

歐洲航天局Solaris 天基太陽能項(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。

將天基太陽能帶給大眾，不僅需要大量的衛(wèi)星，還需要大量的地面接收天線場。根據(jù)研究羅蘭貝格（Roland Berger）資助的一份太陽能公司的報(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:“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害的，或者有可能造成傷害?！?/p>

還有一個(gè)問題是，客戶需要為太空太陽能發(fā)電支付多少費(fèi)用。羅蘭貝格認(rèn)為，這可能是“一種具有成本競爭力的可再生技術(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，別無選擇，只能全力以赴地測試這項(xiàng)技術(shù)。他說:“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>

其他國家的研發(fā)爭先恐后

其他國家和地區(qū)的相關(guān)努力也得到了推動(dòng)。國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、韓國和印度等國家和地區(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)太陽能發(fā)電場，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)了這一能源傳輸過程。圖片來源：European SPS Tower concept

英國已為天基太陽能（SBSP）技術(shù)開發(fā)提供了600萬英鎊資金。在這項(xiàng)技術(shù)中，地球同步衛(wèi)星被用來收集陽光，利用陽光產(chǎn)生太陽能電力，并通過無線電力傳輸（WPT）將產(chǎn)生的電力安全、可靠地傳輸回地球。英國希望在2030年進(jìn)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(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?！?/p>

早在2013年，中國就開始推動(dòng)太空太陽能發(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）空間太陽能電站設(shè)計(jì)方案。這一設(shè)計(jì)方案與美國的阿爾法（ALPHA）設(shè)計(jì)方案相比，具備三個(gè)優(yōu)勢：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年中國首個(gè)空間太陽能發(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)空間太陽能發(fā)電站研究項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目有一個(gè)十分中國化的名字“逐日工程”。

2019年1月9日，“逐日工程”空間太陽能電站系統(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)的空間太陽能電站地面驗(yàn)證系統(tǒng)順利通過專家組驗(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，日本航天開發(fā)局（JAXA）就制定出太空太陽能電站發(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年開始嘗試從太空傳輸太陽能。這個(gè)項(xiàng)目由京都大學(xué)的篠原直樹教授領(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)模太陽能收集器的太空太陽能電池板系統(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)邊長為2公里的正方形，所需要花費(fèi)的預(yù)算約1萬億日元。

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)，從太空射過來的微波束微弱而分散，不會(huì)損害人體健康。不過，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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