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圖 / Mark Garlick，Science Photo Library

導(dǎo)讀：

       從太空中收集陽光并將其發(fā)射到地球，這一概念常常出現(xiàn)在科幻小說中。但現(xiàn)在，世界各國政府正在認(rèn)真考慮“天基太陽能”，將其作為滿足我們能源需求的潛在方案。

理論物理學(xué)家弗里曼·戴森曾經(jīng)設(shè)想過一個非常先進(jìn)的外星文明，他們利用一個巨大的人造外殼包住他們的母恒星。這個“戴森球”的內(nèi)表面將收集太陽輻射并將其轉(zhuǎn)移到收集點(diǎn)，在那里將其轉(zhuǎn)換為可用的能量。這樣的概念仍然只存在于科幻小說中，但是類似的原理是否可以在小規(guī)模內(nèi)使用，比如利用太陽的能量？

畢竟，云層之外，在永無黑夜的近地空間中，源源不斷的太陽能比人類在未來幾個世紀(jì)內(nèi)實(shí)際需要的還要多。這是為什么50多年來有一批科學(xué)家和工程師一直在構(gòu)思技術(shù)，夢想著能在太空中捕獲這種能量并將其傳送回地面。

所謂“天基太陽能”，與傳統(tǒng)的利用太陽能和風(fēng)能的方法相比，它有兩個巨大的優(yōu)勢。首先，將捕捉陽光的衛(wèi)星放在太空中意味著我們在地球上不需要大片的土地來安裝太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電場。第二，即使局部的天氣條件不理想，比如陰天或風(fēng)力減弱時，我們也會有充足的能源供應(yīng)。

而這正是地球上太陽能和風(fēng)能的問題所在：即使大大擴(kuò)展，它們也永遠(yuǎn)無法持續(xù)滿足我們的能源需求。諾丁漢大學(xué)的研究人員去年估計(jì)，如果英國完全依賴這些可再生能源，需要儲存超過65兆瓦時的能源。這將花費(fèi)超過1700億英鎊，是該國即將建成的高速鐵路網(wǎng)花費(fèi)的兩倍多。

不幸的是，大多數(shù)為實(shí)現(xiàn)天基太陽能的努力都遇到了似乎難以解決的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。但時代正在發(fā)生變化。創(chuàng)新的衛(wèi)星設(shè)計(jì)，以及更低的發(fā)射成本，突然使天基太陽能似乎成為一種現(xiàn)實(shí)的能源解決方案。日本已將其作為國家目標(biāo)寫入法律，而歐洲航天局也在征求意見。中國和美國都在建設(shè)測試設(shè)施。

與此同時，英國政府在2021年發(fā)布的一份咨詢報(bào)告指出，天基太陽能在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。但讓人著急的是，它估計(jì)這種技術(shù)解決方案可能在政府間氣候變化專門委員會的2050年“凈零排放”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)前10年付諸實(shí)施。

那么，天基太陽能解決我們的氣候問題嗎？如果能的話，是什么阻礙了它成為現(xiàn)實(shí)？

天基太陽能的概念最初是由美國咨詢公司Arthur D Little的工程師彼得·格拉賽于1968年提出的。他設(shè)想將一個巨大的圓盤狀衛(wèi)星置于地球上空約3.6萬公里的靜止軌道上。這顆直徑約為6公里的衛(wèi)星將由光伏電池板組成，用于收集陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能。接著，使用電子管放大器將這種能量轉(zhuǎn)化為微波，并通過一個直徑為2公里的發(fā)射器發(fā)射到地球。

多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站（MR-SPS），由中國空間技術(shù)研究院的侯欣賓等人于2015年在格拉塞提出的天基太陽能基礎(chǔ)上提出。這顆重達(dá)1萬噸、寬約12公里的衛(wèi)星將在距地球約3.6萬公里的地球靜止同步軌道上運(yùn)行，太陽光由太陽能電池板收集并轉(zhuǎn)化為微波，通過中央發(fā)射器發(fā)射到地球。為了讓電力持續(xù)傳輸?shù)降厍颍夥蹇梢韵鄬τ谖⒉òl(fā)射器不斷旋轉(zhuǎn)，始終面向太陽。太陽能電池板和發(fā)射器由一個單一的矩形支架連接。與競爭對手的設(shè)計(jì)理念不同，MR-SPS概念不依賴鏡子。圖 / Hou Xinbin

微波的好處是它們不會被地球上的云層吸收，因此能在很大程度上（盡管不是完全）不受阻礙地穿過我們的大氣層。格拉賽設(shè)想它們被一個直徑為3公里的固定天線所收集，在那里它們將被轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)的電力?！氨M管使用衛(wèi)星來轉(zhuǎn)換太陽能可能還需要幾十年的時間，”他寫道，“但可以探索所需技術(shù)的幾個方面，作為未來發(fā)展的指南?！?/span>

最初的反應(yīng)至少在某些方面是積極的，美國宇航局授予格拉塞的公司Arthur D Little一份進(jìn)一步研究的合同。然而，多年來，對天基太陽能的后續(xù)研究的結(jié)論已經(jīng)從謹(jǐn)慎的積極發(fā)展到公開的消極。

例如，在2015年美國陸軍戰(zhàn)爭學(xué)院戰(zhàn)略研究所（SSI）的一份報(bào)告中，該技術(shù)只得到了冷淡的評價(jià)，該報(bào)告稱，“沒有令人信服的證據(jù)”表明天基太陽能發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上能比地面發(fā)電更有競爭力。SSI特別批評了其支持者關(guān)于將如此巨大的軌道設(shè)備送入太空所做的“有問題的假設(shè)”。簡單地說，該報(bào)告指出，沒有足夠的運(yùn)載火箭，而且現(xiàn)有的運(yùn)載火箭也很昂貴。

然而SSI的不太光彩的結(jié)論是在私營公司——尤其是SpaceX——開始改變太空行業(yè)之前做出的。通過將可重復(fù)使用的火箭系統(tǒng)與摸著石頭過河的研發(fā)態(tài)度相結(jié)合，這家美國公司在過去十年中已經(jīng)將發(fā)射到近地軌道的成本降低了10倍以上（每公斤有效載荷），并計(jì)劃將其進(jìn)一步降低一個數(shù)量級。SSI之前認(rèn)為的關(guān)于發(fā)射成本的主要限制，事實(shí)上已經(jīng)不再是一個問題了。

將衛(wèi)星送入太空的成本并不是唯一的癥結(jié)所在。格拉塞最初的概念看似簡單，實(shí)則隱藏著許多挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行時，太陽、航天器和地球上發(fā)送能量的點(diǎn)之間的角度是不斷變化的。例如，如果一顆地球同步衛(wèi)星在地球上空工作，它的光伏設(shè)備將在中午時面向太陽，但在午夜時分卻背對著太陽。換句話說，這顆衛(wèi)星不會一直發(fā)電。

這個問題的最初解決方案是將微波發(fā)射器保持固定，而讓光伏板相對于微波發(fā)射器不斷旋轉(zhuǎn)。這樣一來，光伏板將始終指向太陽，而發(fā)射器將始終面對地球。1979年，NASA根據(jù)格拉塞的想法首次提出了這一方案。2015年，北京的中國空間技術(shù)研究院的工程師們進(jìn)一步推廣了這一方案，將其命名為多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽能電站（MR-SPS）。

與此同時，NASA前工程師約翰·曼金斯在2012年發(fā)明了一種與之匹敵的解決方案。他的想法被稱為SPS Alpha，即保持太陽能電池板和發(fā)射器的固定，但在電池板周圍安裝大量的鏡子。這些被稱為定日鏡的鏡子能夠旋轉(zhuǎn)，不斷地將陽光重新定向到太陽能電池板上，從而使衛(wèi)星能夠不間斷地為地球供電。

SPS-Alpha：在由前NASA工程師約翰·曼金斯發(fā)明的SPS-Alpha概念中，衛(wèi)星的主體——太陽能電池板和發(fā)射器——是固定的并且始終面向地球。這顆重達(dá)8000噸的衛(wèi)星位于地球同步軌道上，由圓盤形模塊陣列組成，這些模塊通過光伏板將太陽光轉(zhuǎn)化為電能，然后以微波的形式傳輸能量。與這個直徑1700米的陣列相連的是一個獨(dú)立的、更大的圓頂形鏡子陣列，這些鏡子可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動，從而把陽光反射到陣列上，具體取決于在地球同步軌道上太陽相對于地球的位置。概念圖 / John C Mankins

然而，根據(jù)英國牛津郡的國際電氣有限公司董事兼總工程師伊恩·卡什的說法，MR-SPS和SPS Alpha都不令人滿意?？ㄊ苍瞧?、航空航天和能源領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，十年前，他將注意力轉(zhuǎn)向了清潔、大規(guī)模能源的私人開發(fā)。起初，他被核聚變的潛力所吸引，但被其“非常困難”的問題所嚇倒，很快就把目光轉(zhuǎn)向了天基太陽能，認(rèn)為這是最實(shí)際的選擇。

對于卡什來說，MR-SPS和SPS Alpha的問題是它們必須使衛(wèi)星的某些部件相對于其他部分旋轉(zhuǎn)。因此，每個部分都必須與另一個部分進(jìn)行物理連接，并需要一個可活動的關(guān)節(jié)。問題是，當(dāng)用于像國際空間站這樣的衛(wèi)星時，這種關(guān)節(jié)可能會因?yàn)槟p而失效?？ㄊ部偨Y(jié)說，省略鉸接式關(guān)節(jié)將使太陽能衛(wèi)星更加可靠。他說：“我想弄清楚怎樣才能有一個能一直看到太陽和地球的可靠方案?！?/span>

到了2017年，卡什已經(jīng)想出辦法，至少他是這么說的。他的概念衛(wèi)星CASSIOPeiA是一顆大體上看起來像螺旋樓梯的衛(wèi)星，光伏板是“踏板”，微波發(fā)射器——棒狀偶極子——是“立板”。CASSIOPeiA巧妙的螺旋幾何結(jié)構(gòu)意味著它可以24小時接收和傳輸太陽能，且沒有活動部件。

卡什打算通過知識產(chǎn)權(quán)許可從CASSIOPeiA中獲利，他聲稱他的概念還有許多其他好處。他提出的衛(wèi)星可以由數(shù)百個（可能是數(shù)千個）較小的模塊連接在一起組成，每個模塊都能捕獲太陽能，用電子設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為微波，然后將它們傳輸?shù)降厍?。這種方法的美妙之處在于，即使任何一個模塊被宇宙射線或空間碎片擊中，它的故障也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。

CASSIOPeiA的另一個優(yōu)勢是，非光伏組件永久處于陰影中，這最大限度地減少了散熱——這在無對流的真空空間中是個問題。最后，由于衛(wèi)星總是朝向太陽，它可以占據(jù)更多類型的軌道，包括那些高度橢圓的軌道。有時，它會比與地球同步時更接近地球，這使它更便宜，因?yàn)椴恍枰谌绱司薮蟮陌l(fā)射器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

由英國國際電氣有限公司的伊恩·卡什開發(fā)的天基太陽能CASSIOPeiA。Courtesy: IOP Publishing

可想而知，卡什的競爭對手并不同意他的提議。曼金斯目前在美國加利福尼亞州的阿爾特彌斯創(chuàng)新管理解決方案公司工作，他并不認(rèn)為SPS-Alpha概念中的鉸接定日鏡是一個問題。相反，他聲稱它們是“一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)的簡單延伸”，該技術(shù)已經(jīng)被用在地球上的“太陽能塔”中，用來聚集太陽光加熱流體并驅(qū)動渦輪機(jī)。他還認(rèn)為，CASSIOPeiA所需的雙反射鏡可能是個問題，因?yàn)樗鼈儽仨氁詷O高的精度來制造。

“我非常尊重伊恩和他的工作；他最近的CASSIOPeiA概念是幾個特征非常相似的概念之一，包括SPS-Alpha，”曼金斯說?！暗也煌馑J(rèn)為CASSIOPeiA將被證明優(yōu)于SPS-Alpha的預(yù)期?！?/span>

在曼金斯看來，實(shí)現(xiàn)天基太陽能的最佳方法，最終將取決于開發(fā)項(xiàng)目的結(jié)果，而地球上每千瓦時電力的實(shí)際成本是關(guān)鍵因素。

在英國政府發(fā)布2021年技術(shù)報(bào)告后，人們對天基太陽能的興趣進(jìn)一步提升，該報(bào)告對這一概念給出了前所未有的積極評價(jià)。該報(bào)告由英國的弗雷澤-納什咨詢公司的工程師起草，他們與許多空間工程和能源專家進(jìn)行了交流，包括SPS Alpha、MR-SPS和CASSIOPeiA的發(fā)明者。

報(bào)告的結(jié)論是，地球靜止軌道上一顆1.7公里寬的CASSIOPeiA衛(wèi)星將太陽輻射發(fā)射到地球上100平方公里的微波接收器陣列（或“整流天線”）時，將產(chǎn)生20億瓦的持續(xù)電力。這相當(dāng)于一個大型常規(guī)發(fā)電站的發(fā)電量。它也比泰晤士河口現(xiàn)有的倫敦陣列風(fēng)力發(fā)電場好得多，后者比它大25%，但平均發(fā)電量僅為190兆瓦。

然而，更引人注目的是該報(bào)告的經(jīng)濟(jì)分析。根據(jù)估計(jì)一個完整的系統(tǒng)將花費(fèi)163億英鎊來開發(fā)和發(fā)射，并考慮到每年20%的最低投資回報(bào)率，該報(bào)告得出結(jié)論，一個天基太陽能發(fā)電系統(tǒng)在其大約100年的使用壽命中，可以每兆瓦50英鎊的價(jià)格產(chǎn)生電力。

弗雷澤-納什咨詢公司指出，這比目前的陸地風(fēng)能和太陽能貴14-52%。但是，至關(guān)重要的是，它比生物質(zhì)能、核能或最高效的天然氣能源便宜39-49%，這些是目前唯一能夠提供不間斷“基本負(fù)荷”電力的能源。該報(bào)告的作者還表示，他們對成本的保守估計(jì)“將隨著開發(fā)的推進(jìn)而減少”。

研究報(bào)告的作者之一、弗雷澤-納什公司的馬丁·索爾托說：“它具有難以置信的可擴(kuò)展性。”

而且，由于地球周圍空間的陽光量遠(yuǎn)比地面高，他估計(jì)每個太陽能模塊收集的太陽能是安裝在地面時的10倍。該報(bào)告估計(jì)，到2050年，英國總共需要15顆衛(wèi)星——每顆衛(wèi)星都有自己的整流天線——才能滿足該國一個季度的能源需求。每個整流天線都可以位于現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電場的旁邊，甚至位于風(fēng)電場內(nèi)部。

如果該計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，原則上它可以滿足全球所有電力需求的150%以上（盡管彈性能源供應(yīng)通常要求廣泛的能源組合）。索爾托補(bǔ)充說，天基太陽能對環(huán)境的影響也比地球上的可再生能源低得多。碳足跡將很小，對稀土礦物的需求很少，而且與風(fēng)力渦輪機(jī)不同，沒有噪音或高大可見的結(jié)構(gòu)。

如果這一切聽起來好得令人難以置信，那么它很可能是真的。弗雷澤-納什報(bào)告承認(rèn)存在幾個“研發(fā)問題”，尤其是如何提高無線能源傳輸?shù)男?。來自華盛頓美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的電氣工程師克里斯·羅登貝克說，該技術(shù)的大規(guī)模示范很難實(shí)現(xiàn)。需要在電子元件方面進(jìn)行持續(xù)的投資和有針對性的改進(jìn)，例如大功率整流二極管，這些電子元件并不容易制造。

幸運(yùn)的是，無線能源傳輸已經(jīng)發(fā)展了幾十年。2021年，羅登貝克的團(tuán)隊(duì)在1公里的距離內(nèi)發(fā)送了1.6千瓦的電能，微波到電能的轉(zhuǎn)換效率為73%。從表面上看，這比不上迄今為止最強(qiáng)大的無線能源演示，那次演示發(fā)生在1975年，當(dāng)時NASA位于加州的戈德斯通實(shí)驗(yàn)室的工作人員將10吉赫（100億赫茲）的微波以80%以上的效率轉(zhuǎn)化為電能。然而至關(guān)重要的是，羅登貝克使用了較低頻率的2.4吉赫微波，這種微波的大氣損失要小得多。

為了抵消較低頻率下自然產(chǎn)生的較高衍射（波束擴(kuò)散），研究人員利用周圍的地形將微波“反彈”到接收器陣列上，從而將功率密度提高了70%。羅登貝克說：“在新冠大流行期間，我們進(jìn)行測試的速度相當(dāng)快且成本低廉?！薄拔覀儽究梢匀〉酶嗟某晒！?/span>

羅登貝克對天基太陽能發(fā)電的前景很樂觀。他聲稱，核聚變“遇到了物理學(xué)的基礎(chǔ)問題”，而天基太陽能——以及無線電力傳輸——只是“遇到了金錢的問題”。羅登貝克稱：“這是唯一一種有潛力持續(xù)提供基準(zhǔn)電力的綠色可再生能源，”“除非在可控核聚變方面取得技術(shù)突破，否則人類很有可能利用天基太陽能來滿足未來的能源需求?！?/span>

不過，英國薩里大學(xué)的空間工程師高揚(yáng)提醒說，她承認(rèn)討論中的太空系統(tǒng)的“規(guī)模之大”“非常令人興奮”。她認(rèn)為，最初的建設(shè)很可能需要“在太空中建立一個24小時運(yùn)作的工廠，配備像地球上的汽車工廠一樣的裝配線”，可能會使用自動機(jī)器人。至于設(shè)施建成后的維護(hù)工作，高說這將是“艱巨的”。

對卡什來說，最關(guān)鍵的是空間動力衛(wèi)星將占據(jù)的軌道。地球同步太陽能衛(wèi)星離地球很遠(yuǎn)，需要巨大而昂貴的發(fā)射機(jī)和整流天線才能有效地傳輸能量。但卡什說，通過利用多顆衛(wèi)星在較短的高度橢圓軌道上運(yùn)行的優(yōu)勢，投資者可以用一小部分資金實(shí)現(xiàn)CASSIOPeiA概念上更小的工作系統(tǒng)。相比之下，SPS Alpha和MR-SPS從第一天起就必須是完整的。

然而，天基太陽能面臨的最大挑戰(zhàn)可能不是經(jīng)濟(jì)或技術(shù)上的，而是政治上的。在一個很多人都相信關(guān)于5G移動技術(shù)的陰謀論的世界里，從太空向地球發(fā)射千兆瓦的微波功率可能很難推銷——盡管最大光束強(qiáng)度僅為250 W/m2，不到赤道處太陽最大強(qiáng)度的1/4。

事實(shí)上，英國的報(bào)告承認(rèn)，它的倡導(dǎo)者需要測試公眾的喜好，并圍繞關(guān)鍵的想法來“策劃一場對話”。但也有真正的技術(shù)和社會方面的考慮。整流天線的位置設(shè)在哪里？這些衛(wèi)星在壽命結(jié)束時如何退役才能不增加太空垃圾？微波頻譜中還會有多余空間留給其他東西嗎？系統(tǒng)是否容易受到攻擊？

在該報(bào)告發(fā)布后，英國政府設(shè)立了一項(xiàng)300萬英鎊的基金，以幫助工業(yè)界開發(fā)一些關(guān)鍵技術(shù)。英國前商務(wù)大臣夸西·科沃滕表示，天基太陽能“可以為全世界提供一種負(fù)擔(dān)得起的、清潔和可靠的能源”。這筆資金不太可能用于如此規(guī)模的項(xiàng)目，這就是為什么索爾托幫助建立了一個名為Space Solar的企業(yè)，希望從私人投資者那里籌集2億英鎊的初始資金。

與此同時，他稱之為“自愿合作”（collaboration of the willing）的空間能源倡議聚集了來自50多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、公司和政府機(jī)構(gòu)的科學(xué)家、工程師和公務(wù)員，他們正在無償工作，以幫助實(shí)現(xiàn)一個工作系統(tǒng)。Space X尚未在名單上，但索爾托聲稱已經(jīng)引起了這家美國公司的注意?！八麄兎浅８信d趣，”他說。

卡什并不擔(dān)心找不到投資。如果沒有極其昂貴的電池基礎(chǔ)設(shè)施，陸地可再生能源無法提供不間斷的基本負(fù)荷電力，而核能總是面臨著強(qiáng)烈的反對?？ㄊ舱J(rèn)為，如果我們要實(shí)現(xiàn)凈零排放，天基太陽能是其中重要的組成部分，而簡單地要求人們少用能源是一個“危險(xiǎn)的想法”。

“大多數(shù)戰(zhàn)爭都是因?yàn)橘Y源匱乏而爆發(fā)的，”他說道?！叭绻覀儾豢紤]如何讓文明繼續(xù)向前發(fā)展，另一種選擇將是非?？膳碌??！?/span>

原文標(biāo)題為 “Beam me back”，首發(fā)于2022年10月出版的 Physics World。未經(jīng)授權(quán)的翻譯是侵權(quán)行為，版權(quán)方將保留追究法律責(zé)任的權(quán)利。

原文鏈接：https://physicsworld.com/a/space-based-solar-power-could-beaming-sunlight-back-to-earth-meet-our-energy-needs/

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