向太空要能量

图 / Mark Garlick，Science Photo Library

导读： 从太空中收集阳光并将其发射到地球，这一概念常常出现在科幻小说中。但现在，世界各国政府正在认真考虑“天基太阳能”，将其作为满足我们能源需求的潜在方案。 撰文｜Jon Cartwright 翻译｜赵金瑜 审校｜马超
理论物理学家弗里曼·戴森曾经设想过一个非常先进的外星文明，他们利用一个巨大的人造外壳包住他们的母恒星。这个“戴森球”的内表面将收集太阳辐射并将其转移到收集点，在那里将其转换为可用的能量。这样的概念仍然只存在于科幻小说中，但是类似的原理是否可以在小规模内使用，比如利用太阳的能量？
毕竟，云层之外，在永无黑夜的近地空间中，源源不断的太阳能比人类在未来几个世纪内实际需要的还要多。这是为什么50多年来有一批科学家和工程师一直在构思技术，梦想着能在太空中捕获这种能量并将其传送回地面。 所谓 “天基太阳能” ，与传统的利用太阳能和风能的方法相比，它有两个巨大的优势。 首先，将捕捉阳光的卫星放在太空中意味着我们在地球上不需要大片的土地来安装太阳能电池板和风力发电场。 第二，即使局部的天气条件不理想，比如阴天或风力减弱时，我们也会有充足的能源供应。 而这正是地球上太阳能和风能的问题所在：即使大大扩展，它们也永远无法持续满足我们的能源需求。诺丁汉大学的研究人员去年估计，如果英国完全依赖这些可再生能源，需要储存超过65兆瓦时的能源。这将花费超过1700亿英镑，是该国即将建成的高速铁路网花费的两倍多。 不幸的是，大多数为实现天基太阳能的努力都遇到了似乎难以解决的技术和经济问题。但时代正在发生变化。创新的卫星设计，以及更低的发射成本，突然使天基太阳能似乎成为一种现实的能源解决方案。日本已将其作为国家目标写入法律，而欧洲航天局也在征求意见。中国和美国都在建设测试设施。 与此同时，英国政府在2021年发布的一份咨询报告指出， 天基太阳能在技术上和经济上都是可行的。 但让人着急的是，它估计这种技术解决方案可能在政府间气候变化专门委员会的2050年“净零排放”目标实现前10年付诸实施。 那么，天基太阳能解决我们的气候问题吗？如果能的话，是什么阻碍了它成为现实？ SAIXIANSHENG 太空梦想



天基太阳能的概念最初是由美国咨询公司Arthur D Little的工程师彼得·格拉赛于1968年提出的。他设想将一个巨大的圆盘状卫星置于地球上空约3.6万公里的静止轨道上。这颗直径约为6公里的卫星将由光伏电池板组成，用于收集阳光并将其转化为电能。接着，使用电子管放大器将这种能量转化为微波，并通过一个直径为2公里的发射器发射到地球。

多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS），由中国空间技术研究院的侯欣宾等人于2015年在格拉塞提出的天基太阳能基础上提出。这颗重达1万吨、宽约12公里的卫星将在距地球约3.6万公里的地球静止同步轨道上运行，太阳光由太阳能电池板收集并转化为微波，通过中央发射器发射到地球。为了让电力持续传输到地球，光伏板可以相对于微波发射器不断旋转，始终面向太阳。太阳能电池板和发射器由一个单一的矩形支架连接。与竞争对手的设计理念不同，MR-SPS概念不依赖镜子。图 / Hou Xinbin 微波的好处是它们不会被地球上的云层吸收，因此能在很大程度上（尽管不是完全）不受阻碍地穿过我们的大气层。格拉赛设想它们被一个直径为3公里的固定天线所收集，在那里它们将被转化为电网的电力。“尽管使用卫星来转换太阳能可能还需要几十年的时间，”他写道，“但可以探索所需技术的几个方面，作为未来发展的指南。” 最初的反应至少在某些方面是积极的，美国宇航局授予格拉塞的公司Arthur D Little一份进一步研究的合同。然而，多年来，对天基太阳能的后续研究的结论已经从谨慎的积极发展到公开的消极。 例如，在2015年美国陆军战争学院战略研究所（SSI）的一份报告中，该技术只得到了冷淡的评价，该报告称，“没有令人信服的证据”表明天基太阳能发电在经济上能比地面发电更有竞争力。SSI特别批评了其支持者关于将如此巨大的轨道设备送入太空所做的“有问题的假设”。简单地说，该报告指出，没有足够的运载火箭，而且现有的运载火箭也很昂贵。 然而SSI的不太光彩的结论是在私营公司——尤其是SpaceX——开始改变太空行业之前做出的。通过将可重复使用的火箭系统与摸着石头过河的研发态度相结合，这家美国公司在过去十年中已经将发射到近地轨道的成本降低了10倍以上（每公斤有效载荷），并计划将其进一步降低一个数量级。SSI之前认为的关于发射成本的主要限制，事实上已经不再是一个问题了。 将卫星送入太空的成本并不是唯一的症结所在。格拉塞最初的概念看似简单，实则隐藏着许多挑战。首先，当卫星围绕地球运行时，太阳、航天器和地球上发送能量的点之间的角度是不断变化的。例如，如果一颗地球同步卫星在地球上空工作，它的光伏设备将在中午时面向太阳，但在午夜时分却背对着太阳。换句话说，这颗卫星不会一直发电。 这个问题的最初解决方案是将微波发射器保持固定，而让光伏板相对于微波发射器不断旋转。这样一来，光伏板将始终指向太阳，而发射器将始终面对地球。1979年，NASA根据格拉塞的想法首次提出了这一方案。2015年，北京的中国空间技术研究院的工程师们进一步推广了这一方案，将其命名为多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS）。 与此同时，NASA前工程师约翰·曼金斯在2012年发明了一种与之匹敌的解决方案。他的想法被称为SPS Alpha，即保持太阳能电池板和发射器的固定，但在电池板周围安装大量的镜子。这些被称为定日镜的镜子能够旋转，不断地将阳光重新定向到太阳能电池板上，从而使卫星能够不间断地为地球供电。

SPS-Alpha： 在由前NASA工程师约翰·曼金斯发明的SPS-Alpha概念中，卫星的主体——太阳能电池板和发射器——是固定的并且始终面向地球。这颗重达8000吨的卫星位于地球同步轨道上，由圆盘形模块阵列组成，这些模块通过光伏板将太阳光转化为电能，然后以微波的形式传输能量。与这个直径1700米的阵列相连的是一个独立的、更大的圆顶形镜子阵列，这些镜子可以独立转动，从而把阳光反射到阵列上，具体取决于在地球同步轨道上太阳相对于地球的位置。概念图 / John C Mankins 然而，根据英国牛津郡的国际电气有限公司董事兼总工程师伊恩·卡什的说法，MR-SPS和SPS Alpha都不令人满意。卡什曾是汽车、航空航天和能源领域的电子系统设计师，十年前，他将注意力转向了清洁、大规模能源的私人开发。起初，他被核聚变的潜力所吸引，但被其“非常困难”的问题所吓倒，很快就把目光转向了天基太阳能，认为这是最实际的选择。 对于卡什来说，MR-SPS和SPS Alpha的问题是它们必须使卫星的某些部件相对于其他部分旋转。因此，每个部分都必须与另一个部分进行物理连接，并需要一个可活动的关节。问题是，当用于像国际空间站这样的卫星时，这种关节可能会因为磨损而失效。卡什总结说， 省略铰接式关节将使太阳能卫星更加可靠。 他说：“我想弄清楚怎样才能有一个能一直看到太阳和地球的可靠方案。” 到了2017年，卡什已经想出办法，至少他是这么说的。他的概念卫星CASSIOPeiA是一颗大体上看起来像螺旋楼梯的卫星，光伏板是“踏板”，微波发射器——棒状偶极子——是“立板”。CASSIOPeiA巧妙的螺旋几何结构意味着它可以24小时接收和传输太阳能，且没有活动部件。 卡什打算通过知识产权许可从CASSIOPeiA中获利，他声称他的概念还有许多其他好处。他提出的卫星可以由数百个（可能是数千个）较小的模块连接在一起组成，每个模块都能捕获太阳能，用电子设备将其转换为微波，然后将它们传输到地球。这种方法的美妙之处在于， 即使任何一个模块被宇宙射线或空间碎片击中，它的故障也不会导致整个系统瘫痪。 CASSIOPeiA的另一个优势是，非光伏组件永久处于阴影中，这最大限度地减少了散热——这在无对流的真空空间中是个问题。最后，由于卫星总是朝向太阳，它可以占据更多类型的轨道，包括那些高度椭圆的轨道。有时，它会比与地球同步时更接近地球，这使它更便宜，因为不需要在如此巨大的发射器的基础上扩展设计。

由英国国际电气有限公司的伊恩·卡什开发的天基太阳能 CASSIOPeiA。 Courtesy: IOP Publishing 可想而知，卡什的竞争对手并不同意他的提议。曼金斯目前在美国加利福尼亚州的阿尔特弥斯创新管理解决方案公司工作，他并不认为SPS-Alpha概念中的铰接定日镜是一个问题。相反，他声称它们是“一项非常成熟的技术的简单延伸”，该技术已经被用在地球上的“太阳能塔”中，用来聚集太阳光加热流体并驱动涡轮机。他还认为， CASSIOPeiA所需的双反射镜可能是个问题，因为它们必须以极高的精度来制造。 “我非常尊重伊恩和他的工作；他最近的CASSIOPeiA概念是几个特征非常相似的概念之一，包括SPS-Alpha，”曼金斯说。“但我不同意他认为CASSIOPeiA将被证明优于SPS-Alpha的预期。” 在曼金斯看来，实现天基太阳能的最佳方法， 最终将取决于开发项目的结果，而地球上每千瓦时电力的实际成本是关键因素。 SAIXIANSHENG 难以置信的可扩展性



在英国政府发布2021年技术报告后，人们对天基太阳能的兴趣进一步提升，该报告对这一概念给出了前所未有的积极评价。该报告由英国的弗雷泽-纳什咨询公司的工程师起草，他们与许多空间工程和能源专家进行了交流，包括SPS Alpha、MR-SPS和CASSIOPeiA的发明者。 报告的结论是，地球静止轨道上一颗1.7公里宽的CASSIOPeiA卫星将太阳辐射发射到地球上100平方公里的微波接收器阵列（或“整流天线”）时，将产生20亿瓦的持续电力。这相当于一个大型常规发电站的发电量。它也比泰晤士河口现有的伦敦阵列风力发电场好得多，后者比它大25%，但平均发电量仅为190兆瓦。 然而，更引人注目的是该报告的经济分析。根据估计一个完整的系统将花费163亿英镑来开发和发射，并考虑到每年20%的最低投资回报率，该报告得出结论，一个天基太阳能发电系统在其大约100年的使用寿命中，可以每兆瓦50英镑的价格产生电力。 弗雷泽-纳什咨询公司指出， 这比目前的陆地风能和太阳能贵14-52%。但是，至关重要的是，它比生物质能、核能或最高效的天然气能源便宜39-49%，这些是目前唯一能够提供不间断“基本负荷”电力的能源。 该报告的作者还表示，他们对成本的保守估计“将随着开发的推进而减少”。 研究报告的作者之一、弗雷泽-纳什公司的马丁·索尔托说： “它具有难以置信的可扩展性。” 而且，由于地球周围空间的阳光量远比地面高，他估计每个太阳能模块收集的太阳能是安装在地面时的10倍。该报告估计，到2050年，英国总共需要15颗卫星——每颗卫星都有自己的整流天线——才能满足该国一个季度的能源需求。每个整流天线都可以位于现有风力发电场的旁边，甚至位于风电场内部。 如果该计划进一步扩大规模，原则上它可以满足全球所有电力需求的150%以上（尽管弹性能源供应通常要求广泛的能源组合）。索尔托补充说， 天基太阳能对环境的影响也比地球上的可再生能源低得多。 碳足迹将很小，对稀土矿物的需求很少，而且与风力涡轮机不同，没有噪音或高大可见的结构。 如果这一切听起来好得令人难以置信，那么它很可能是真的。弗雷泽-纳什报告承认存在几个“研发问题”，尤其是如何提高无线能源传输的效率。来自华盛顿美国海军研究实验室的电气工程师克里斯·罗登贝克说， 该技术的大规模示范很难实现 。需要在电子元件方面进行持续的投资和有针对性的改进，例如大功率整流二极管，这些电子元件并不容易制造。 幸运的是，无线能源传输已经发展了几十年。2021年，罗登贝克的团队在1公里的距离内发送了1.6千瓦的电能，微波到电能的转换效率为73%。从表面上看，这比不上迄今为止最强大的无线能源演示，那次演示发生在1975年，当时NASA位于加州的戈德斯通实验室的工作人员将10吉赫（100亿赫兹）的微波以80%以上的效率转化为电能。然而至关重要的是，罗登贝克使用了较低频率的2.4吉赫微波，这种微波的大气损失要小得多。 为了抵消较低频率下自然产生的较高衍射（波束扩散），研究人员利用周围的地形将微波“反弹”到接收器阵列上，从而将功率密度提高了70%。罗登贝克说：“在新冠大流行期间，我们进行测试的速度相当快且成本低廉。”“我们本可以取得更多的成果。” 罗登贝克对天基太阳能发电的前景很乐观。他声称， 核聚变“遇到了物理学的基础问题”，而天基太阳能——以及无线电力传输——只是“遇到了金钱的问题”。 罗登贝克称：“这是唯一一种有潜力持续提供基准电力的绿色可再生能源，”“除非在可控核聚变方面取得技术突破，否则人类很有可能利用天基太阳能来满足未来的能源需求。” 不过，英国萨里大学的空间工程师高扬提醒说，她承认讨论中的太空系统的“规模之大”“非常令人兴奋”。她认为，最初的建设很可能需要“在太空中建立一个24小时运作的工厂，配备像地球上的汽车工厂一样的装配线”，可能会使用自动机器人。至于设施建成后的维护工作，高说这将是“艰巨的”。 对卡什来说，最关键的是空间动力卫星将占据的轨道。地球同步太阳能卫星离地球很远，需要巨大而昂贵的发射机和整流天线才能有效地传输能量。但卡什说，通过利用多颗卫星在较短的高度椭圆轨道上运行的优势，投资者可以用一小部分资金实现CASSIOPeiA概念上更小的工作系统。相比之下，SPS Alpha和MR-SPS从第一天起就必须是完整的。 SAIXIANSHENG 有足够的意愿吗？



然而，天基太阳能面临的最大挑战可能不是经济或技术上的，而是政治上的。在一个很多人都相信关于5G移动技术的阴谋论的世界里，从太空向地球发射千兆瓦的微波功率可能很难推销——尽管最大光束强度仅为250 W/m2，不到赤道处太阳最大强度的1/4。 事实上，英国的报告承认，它的倡导者需要测试公众的喜好，并围绕关键的想法来“策划一场对话”。但也有真正的技术和社会方面的考虑。整流天线的位置设在哪里？这些卫星在寿命结束时如何退役才能不增加太空垃圾？微波频谱中还会有多余空间留给其他东西吗？系统是否容易受到攻击？ 在该报告发布后，英国政府设立了一项300万英镑的基金，以帮助工业界开发一些关键技术。英国前商务大臣夸西·科沃滕表示，天基太阳能“可以为全世界提供一种负担得起的、清洁和可靠的能源”。这笔资金不太可能用于如此规模的项目，这就是为什么索尔托帮助建立了一个名为Space Solar的企业，希望从私人投资者那里筹集2亿英镑的初始资金。 与此同时，他称之为“自愿合作”（collaboration of the willing）的空间能源倡议聚集了来自50多家学术机构、公司和政府机构的科学家、工程师和公务员，他们正在无偿工作，以帮助实现一个工作系统。Space X尚未在名单上，但索尔托声称已经引起了这家美国公司的注意。“他们非常感兴趣，”他说。 卡什并不担心找不到投资。如果没有极其昂贵的电池基础设施，陆地可再生能源无法提供不间断的基本负荷电力，而核能总是面临着强烈的反对。卡什认为，如果我们要实现净零排放，天基太阳能是其中重要的组成部分，而简单地要求人们少用能源是一个“危险的想法”。

“大多数战争都是因为资源匮乏而爆发的，”他说道。“如果我们不考虑如何让文明继续向前发展，另一种选择将是非常可怕的。”

作者简介： Jon Cartwright是一位居住在英国布里斯托尔的自由撰稿人。 原文标题为 “Beam me back”，首发于2022年10月出版的 Physics World。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。 原文链接： https://physicsworld.com/a/space-based-solar-power-could-beaming-sunlight-back-to-earth-meet-our-energy-needs/ 译名对照表： Jon Cartwright 乔恩·卡特赖特
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