太空发电站或成现实？唯一限制因素将在5～7年内解决

欧洲航天局计划在太空建造太阳能发电站，应对能源危机，但建造成本似乎限制了天基太阳能的发展。不过，可回收火箭的出现让天基太阳能发电有可能成真。

斯图尔特?克拉克

马骏

闻静

原文刊载于《科学焦点》2023.05 期

向地球输电的“通信卫星”

2022 年 11 月下旬，欧洲航天局科技部长理事会在巴黎召开会议，制订了欧空局未来 3 年的工作重点。其中一项事关当下乃至未来的全球热点问题 —— 能源问题。欧空局决定，实施“天基太阳能”(Solaris)计划，让欧洲摆脱化石能源短缺的困扰，保障欧空局成员国的能源安全。简单来说，这个计划旨在研究建立天基在轨商用发电站的可行性。

根据天基太阳能计划，这些发电站将利用巨大的太阳能电池板，吸收更多太阳能，并将其转化为电能，再以微波的形式传输到地球。而地面接收站通过巨大的天线接收微波，然后将微波传输的电能直接输入电网。

这听起来挺像科幻小说里的情节。但欧空局的科学家桑贾伊?维詹德兰表示，其实在过去 60 年间，科学家一直在做类似的尝试。因为通信卫星都能通过太阳能电池板产生电能，并依靠这些电能向地球传输信号。在地面上，这些信号又被转化成电信号，用于数据解读。“通信卫星传输信号所涉及的物理学原理同天基太阳能发电所涉及的原理完全相同，只是发电规模相差甚远。”维詹德兰解释说。

每千克运费 300 美元即可实现

天基太阳能发电站要达到商业发电的规模，需要配备长达数千米的太阳能电池板，这是国际空间站上的太阳能电池板总长度的 10 倍还多。这些太阳能电池板将由机器人安装在距离地球表面 36000 千米的太空。这一高度位置同通信卫星处于同一轨道，这样太阳能发电站能与地面接收站保持相对静止，便于能量传输。

这听起来就很难实现。不过，目前建造天基在轨太阳能发电站只有一个阻碍，就是成本问题 —— 向太空运送建造材料的成本太高了。通常，向太空运送货物的成本为每千克 1000 美元左右，但鉴于天基在轨太阳能发电站的庞大体量，建造成本更高，投入产出比不太合理，无法实现商用。

不过，随着美国太空探索技术公司的可回收火箭在航天领域的应用越来越频繁，航天成本正在急剧下降。“对于天基太阳能发电站的建造来说，每千克 300 美元(约合人民币 2200 元)的运送成本简直是个好消息。”前任美国航空航天局的物理学家、现任阿尔忒弥斯创新管理解决方案公司总裁约翰?曼金斯(John Mankins)说。

曼金斯是太阳能发电卫星领域的知名专家，此前他一直认为，对天基太阳能发电来说，建造材料的运送成本是一个限制性因素。但这一限制性因素不会存在太长时间了。曼金斯说:“每千克 300 美元的运送成本会在未来 5～7 年里变成现实。”

正因如此，欧空局正与欧洲相关的制造企业合作，设计了两种太阳能发电卫星。此外，欧空局也开启了一项关于太阳能电池和大型天线的研发计划，让太阳能发电卫星更轻便、高效。

试验卫星已能向地面传输能量

天基太阳能技术的前景如此可观，因此不只是欧空局，还有其他机构和企业也在开展类似的研究。

2021 年 9 月，英国一家名为 Frazer-Nash 的咨询公司向英国政府提交了一份报告，他们提出:“天基太阳能项目在技术上可行，成本也可接受，而且能为英国带来持续的经济效益，还有助于实现净零排放的目标。”近日，英国政府宣布将资助 430 万英镑探索天基太阳能，以期提供更清洁廉价的能源，提高英国能源安全。

中国也在推动这项技术的发展，并计划在 2028 年前完成空地能量传输的可行性研究。目前，中国的计划旨在验证技术可行性，并不是建造真正的商用天基太阳能发电站。不过，一旦试验成功，将对天基太阳能技术的发展产生里程碑式的影响。

美国加利福尼亚理工学院的一个研究团队在 2023 年 1 月 3 日，发射了一颗名为“空间太阳能演示器”的试验卫星，验证可正式运行的在轨太阳能发电站所需的技术。6 月 1 日，美国加利福尼亚理工学院宣布，该卫星已将微波束的能量导向太空中的目标，甚至还将一部分能量发送到地球的探测器上。

“很明显，我们要加把劲儿了。”维詹德兰说，“天基太阳能计划对于我们验证在太空实现太阳能发电是否可行具有重要意义，也会推动后续的相关研究。”

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