天基太阳能的竞赛

天基太阳能发电是一个昂贵、有风险的白日梦吗？或者这是应对气候变化的可行方法？据Space Solar、欧洲航天局和格拉斯哥大学的专家称，尽管从太空向地球发射太阳能最终可能涉及传输千兆瓦的太阳能，但这一过程可能出人意料地安全且具有成本效益。

但是，如果我们想开发这种潜力，我们将需要远远超越演示硬件并解决许多工程挑战。

从太空发射太阳能并不是什么新鲜事;自 1960 年代以来，电信卫星一直在将太阳能产生的微波信号发送回地球。但是发送有用的功率完全是另一回事。

“这个想法已经存在了一个多世纪，”欧空局深空探索科学家尼科尔·卡普林（Nicol Caplin）在《物理世界》播客中说。“最初的概念确实是科幻小说。它有点植根于科幻小说，但从那时起，就出现了一种兴趣来来去去的趋势。

研究人员正在为天基太阳能开发多种设计。格拉斯哥大学（University of Glasgow）空间系统工程高级讲师马泰奥·塞里奥蒂（Matteo Ceriotti）在《对话》（The Conversation）中写道，已经提出了许多设计。

根据欧空局Solaris计划负责人Sanjay Vijendran的说法，Solaris计划正在探索两种可能的技术：一种是将微波从地球静止轨道上的站点发射到地球上的接收器，另一种是使用较低轨道上的巨大镜子将太阳光反射到太阳能农场上。他说，他认为这两种解决方案都有潜在的价值。微波技术引起了更广泛的兴趣，也是这些采访的主要焦点。它具有巨大的潜力，尽管也可以使用高频无线电波。

“你真的有一个来自太空的24/7清洁能源，”Vijendran说。由于微波的频率，无论天气条件如何，都可以传输电力。

“太空中1吉瓦的发电厂将与地球上排名前五的太阳能发电厂相媲美。一个容量为1吉瓦的发电厂可以为大约875,000户家庭供电一年，“Physics World播客主持人Andrew Glester说。

但是我们还没有准备好部署这样的东西。“这将是一个巨大的工程挑战，”卡普林说。在太空中成功建造太阳能发电站涉及许多物理障碍。

根据高级记者伊丽莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney）的一篇文章，使用微波技术，产生千兆瓦电力的轨道发电站的太阳能电池阵列的面积必须超过1平方公里。“这是国际空间站规模的100多倍，国际空间站花了十年时间建造。它还需要用机器人组装，因为轨道设施将是无人驾驶的。

太阳能电池需要能够抵御空间辐射和碎片。Gibney写道，它们还需要高效轻便，功率重量比是典型硅太阳能电池的50倍。降低这些电池的成本是工程师必须考虑的另一个因素。Gibney写道，减少电力传输过程中的损耗是另一个挑战。根据欧空局的说法，能量转换率需要提高到10%至15%。这需要技术进步。

Space Solar正在研究一种名为CASSIOPeiA的卫星设计，《物理世界》将其描述为“看起来像一个螺旋楼梯，光伏电池板是'踏板'，微波发射器（棒状偶极子）是'立管'。它具有螺旋形状，没有活动部件。

“我们的系统由数十万个相同的餐盘大小的电源模块组成。每个模块都有光伏，将太阳能转化为直流电，“Space Solar首席执行官Sam Adlen说。

“然后，直流电源驱动电子设备传输电力......从偶极子天线向下朝向地球。太空中的电源被转换为[微波]，并以相干波束的形式向下发射到地球，在那里它被整流天线接收，重新转换为电能，并输入到电网。

阿德伦说，用于空间应用的机器人技术，如在轨组装，正在迅速发展。

Ceriotti写道，SPS-ALPHA是另一种设计，具有大型太阳能集热器结构，其中包括许多定日镜，这些定日镜是可以单独移动的模块化小型反射器。它们将太阳光集中在单独的发电模块上，然后通过另一个模块传输回地球。

这些计划涉及大量的微波或无线电辐射通量。但天基太阳能相对安全。对于来自太空太阳能装置的微波辐射，“这些频率对人类或生物的唯一已知影响是组织加热，”Vijendran说。“如果你站在这种功率水平的光束中，那就像站在......傍晚的太阳。尽管如此，卡普林说，还需要更多的研究来研究这些微波对人类、动物、植物、卫星、基础设施和电离层的影响。

然而，向公众传达这一点可能仍然是一个挑战。“仍然有一个公众认知问题需要解决，需要强有力的参与才能成功地将其推向市场，”阿德伦说。

使用天基太阳能的军事攻击也可能引起人们的担忧。但是，即使太空太阳能发电站因军事原因被劫持，硬件也会将光束限制在安全强度，这样它就不能被用来伤害地球上的人或生态系统，Ceriotti说。

除了环境问题之外，在部署之前还需要解决其他问题。对通信信号的干扰是另一个潜在的风险，尽管吉布尼写道，波束的频率不会破坏飞机的通信。其他一些物理风险也很重要。

Vijendran说，陨石或太空垃圾等轨道碎片可能会撞击空间站并损坏它。如果对太阳能发电站的影响产生碎片，也可能导致问题。此外，当硬件达到使用寿命时，硬件本身将不得不脱离轨道。“欧空局有一个清洁空间倡议。我们送入太空的任何东西，我们都必须考虑整个生命周期，从摇篮到坟墓，“卡普林说。

最后，该项目仍将对环境产生影响。Ceriotti写道，将太阳能发电站硬件送入轨道，建造并控制它将产生污染并使用大量燃料。可能需要数百次发射。

除了对环境的影响外，这些发射还将花费资金。卡普林说，到目前为止，成本通常是建造太空太阳能发电站的主要障碍。“随着这种格局的变化，将东西送到太空通常变得更便宜，我们可以再次把它放在桌面上。有钱能使鬼推磨。我们得到了两项关于成本效益分析的独立研究的建议，他们都认为这是可行的。

Ceriotti说，天基太阳能的费用将包括制造成本，维护成本和发射成本。

“我们预计未来成本会下降，”Vijendran说。“我们可以从一种与我们今天为核能支付的费用相媲美的电力开始......每兆瓦时 100 美元到 200 美元之间......它高于太阳能和风能等间歇性可再生能源，但可以发挥作用，因为它是可靠的，并且 24/7 可用。

Vijendran表示，他预计天基太阳能的成本最终将下降到与地球上的太阳能和风能竞争的程度，后者低于每兆瓦时50美元。根据美国能源信息署 2022 年关于这一主题的出版物，2021 年太阳能和陆上风能的成本约为每兆瓦时 20 至 45 美元。

阿德伦的成本估计要低得多，大约是核电成本的四分之一。

SpaceX和Blue Origin正在设计能够处理重型运载的运载火箭，Ceriotti写道。这些车辆的零件可以重复使用，它们的高容量和可重复使用性可以将某些方面的建造成本降低90%。

展望未来，天基太阳能发展的下一步是什么？Vijendran说，欧空局计划明年就其开发无人空间站的目标做出决定。由于一些欧洲国家缺乏财政支持，这一进程已经放缓。

“第一个主要决策点是实施......2030年左右发射的小规模太空演示任务，“Vijendran说。

在欧空局之外，加州理工学院展示了一种轻量级原型，可以将太阳光转换为射频电能并将其作为光束传输。该大学一直在研究模块化、可折叠、超轻型天基太阳能设备。

“我的观点是，就像连接世界从有线到无线一样，所以我们将看到电力世界朝着类似的方向发展，”阿德伦说。如果这些项目向前推进，国际合作将是创建天基太阳能发电站的关键。