2023年6月，美國加州理工學院的天基太陽能團隊宣布，自己發射到宇宙里的SSPD-1衛星，成功演示了微波電力傳輸技術。在這顆衛星上攜帶了一個叫做“低軌道電力傳輸微波陣列實驗”(MAPLE)的設備。正是這個小設備，證明了天基太陽能電站并不是科幻，而是可以通過努力實現的天基基礎設施。

SSPD-1衛星在軌展開

加州理工的試驗

“通過迄今為止進行的實驗，我們確認，MAPLE可以成功地將電力傳輸到太空中的接收器。”天基太陽能項目聯合主任阿里·哈基米里博士在一份聲明中說，“我們還能夠對陣列進行編程，讓能量流向地球。我們在加州理工學院曾經做過地面試驗。現在我們知道，樣機可以適應太空之旅并在太空里運行。

當然，MAPLE還沒有實現把電力從宇宙直接傳回地球。用來接收微波電力的，是兩個獨立的接收器陣列。它們到發射機的距離只有一英尺，也就是30.48厘米。所接收到的電功率，可以點亮一對LED燈泡。或許有人會說，一英尺和地球靜止軌道相比，真的差了十萬八千里。不過它的意義在于，第一次實現了在宇宙空間里用微波傳輸電力，而不僅僅是遙感信息。

早在SSPD-1衛星發射之前，加州理工的科研人員就在摩爾實驗室屋頂上架設了一套試驗設備，取得了初步成功。SSPD-1衛星這次試驗的意義在于把輸電和受電設備真的搬到太空里，暴露在惡劣的太空環境中，經受溫度的大幅波動和暴露于太陽輻射的影響，還能正常工作。未來投入業務運行的大型電站，同樣需要面對這樣的條件。

科研人員在組裝衛星

哈基米里博士表示，“據我們所知，還沒有人在太空中演示過無線能量傳輸，即使是昂貴的剛性結構也沒做到。而我們用靈活、輕質的結構和自己的集成電路來做到這一點，這是第一次。

哈基米里博士解釋說，在太空里通過無線傳輸能量，與光的干涉現象有關。當兩束光波重疊在一起的時候如果相位相同，那么波峰就會疊加，稱為建設性干涉。如果相位有差異，沒有對準，甚至導致了一束光的波峰對準了另外一束光的波谷，就會相互抵消，稱為破壞性干涉。

加州理工的SSPD-1衛星研制人員

如果有多個發射源一起工作，那么人們可以設法把能量引導到一個方向，讓建設性干涉只發生在一個方向上，在所有其他方向上都相互抵消。這樣，就可以把能量集中在一個很小的區域，甚至比發射陣列的面積還小。

通過精確控制方向，可以把微波能量發射到不同的位置，比如地球上的接收陣、太空里的其他位置。調整時間以納秒計，而且不需要任何機械部件的運動。向太空里的其他位置發射電力，似乎在此前的天基太陽能發電中很少有人提起，但是需要注意，在阿西莫夫早期的科幻小說中，天基太陽能電站就是為進出大氣層的飛船服務，需要電站用多個波束精確跟蹤飛船的運動。

科研人員在進行地面試驗

從太空向英國發射微波能量的設想

哈基米里博士和團隊現在正在評估MAPLE各組成部分的性能，估計耗時6個月。所總結出來的經驗教訓將用于設計完整版本的工程樣機。

SSPD最終將由一組模塊化航天器組成，收集陽光，將其轉化為電能，然后將其轉化為微波，再將其發射到很遠的距離，包括傳回需要能量的地球。這可能包括目前現有能源基礎設施服務不佳的全球地區。

SSPD-1衛星收發試驗設施內部

“就像互聯網使信息獲取大眾化一樣，我們希望無線能量傳輸使能源獲取大眾化，”哈基米里博士總結道。“地面上不需要任何能量傳輸基礎設施來接收這種電力。這意味著我們可從太空向英國發射微波能量的設想以向偏遠地區和遭受戰爭或自然災害破壞的地區輸送能源。”

微波電力接收陣可以設置在郊外

英國人的想法

不但是加州理工，最近不少機構都在討論，是不是應該立刻動手研究天基太陽能電站。具體的驅動力還不是賺錢，而是氣候變化。

根據聯合國氣候變化專門委員會的數據，到21世紀末，全球溫度會上升2.5攝氏度。這比國際氣候科學界認為安全的闖值高出1攝氏度。溫度上升會帶來南北極冰蓋融化、海平面上升等一系列問題。雖然有的科學家認為，地球的溫度周期就是在起伏變化的，但人類至少可以做些什么來防止這個過程發生得太快。

有科學家認為，為了將變暖限制在該閥值附近，世界經濟必須在2030年前把溫室氣體排放量減少45%，這意味著在很短的時間內逐步淘汰大量消耗化石燃料的技術。比如說，英國至少需要30~40吉瓦的持續新能源發電，才能擺脫所有化石燃料發電這相當于建造30多個新的核電站。

30多個核電站的建造周期和難度是可想而知的，而且還有可能造成新的環境隱患。所以，一批英國企業家和科學家提出，不妨試試空間太陽能發電廠，在未來的無排放基礎設施中占有一席之地。甚至有人提出，英國在2035年之前就該建造第一個天基電站。

伊恩·卡什是一位英國工程師，是英國電子工程師和國際電氣公司董事。他的軌道太陽能發電廠概念稱為CASSIOPeiA(意思是恒定孔徑、固態集成、軌道相控陣)。這個概念已被英國政府采納，作為未來天基太陽能發電廠演示項目的起點。作為這項技術的堅定倡導者，卡什認為，在太空中開發和建造太陽能發電站，比破解核聚變的挑戰要少。

當談到基于太空的太陽能時，卡什在接受采訪的時候表示，對于天基電站，“沒有什么科學難題需要解決。1970年代以來，人們已經解決了這一切，當時美國宇航局與美國能源部進行了一項非常大規模的研究。實際上:自從人類首次將通信衛星發射到地球靜止軌道，已經證明了這背后的物理學。我們有太陽翼面向太陽，有衛星的主體，有拋物面碟形天線或者相控陣天線面向地球。所有的原則都是一樣的，把太陽能轉化為電能，將其轉換為微波并將其發射到地球。唯一不同的是光圈的比例。”

蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學先進空間概念實驗室的研究員安德魯·威爾遜正在領導天基太陽能可行性的研究，他也認為:“我認為沒有需要開發的技術，沒有什么是真正需要發明的。”

那么在英國人看來，天基太陽能電站有哪些優點和缺點呢?

三大優點

功率大

英國科學家之所以熱衷于天基太陽能，不但是因為本國缺少核電站的工業基礎，也是天氣導致的。英國是個多云多雨的國家，英國紳士們身穿風衣、攜帶雨傘的形象非常經典。不過這對于光伏發電來說不是什么好現象。如果在英國布置光伏電廠，產生的電力少得可憐。但是要把光伏電站搬到天上去，事情就大不相同了。根據科學家們的計算，在軌道上設置太陽能發電廠，將比英國地面上的同等裝置產出多13倍。

英國不是沒有嘗試過地面光伏電廠。英國最大的太陽能發電廠，威爾士北部的肖特威克太陽能公園，在日照高峰期的產出只有72.2兆瓦。只有在一些陽光最充足的國家，光伏電廠才能達到千兆瓦大關。例如，印度的Bhadla太陽能發電場發電量高達2.7吉瓦，但是它占地達到160平方千米。

在太空中建造太陽能發電廠將需要巨大的投資。然而威爾遜表示，旦建成，天基太陽能發電廠將比地球上的各種可再生能源發電技術，都更快地收回成本。

天基太陽能可以避免地面可再生能源發電技術的很多重大缺點。在太空中總是有陽光的，沒有云層阻擋。如果采用巧妙的軌道設計，甚至在夜晚也能發電。地球上的太陽能發電廠在夜間只能停工，海上風電場在無風的時候也不能發電，但天基太陽能發電廠可以24小時提供恒定電力，穩定地為地球電網供電，運營商不必擔心停電或突然過載。這是很多可再生能源發電的弊端。可再生能源可以在電力供應過剩的時候給一些巨型電池充電，發電低谷再釋放出來。但這種規模的儲能技術同樣投資巨大，比可控核聚變的實現程度也就是稍微好一點罷了。

從太空向英國發射微波能量的設想

所以在擁護者看來，天基太陽能發電第一步是要取代那些不靠譜的地面可再生能源，取代燃煤或者其他熱力發電廠還是下一步。威爾遜說。“大多數其他可再生能源選擇無法同時提供如此大的發電量。如果沒有天基太陽能發電，我們肯定會尋求建造更多的核電站。

更安全

從理論上講，天基太陽能發電不受地球上戰爭和沖突的影響。

在俄烏沖突爆發后，從俄羅斯向德國輸送天然氣的北溪管道被人炸毀。直到現在，德國也沒有膽量公開指控兇手。但這個事件表明，在當今世界上，一個國家依賴國外能源是相當不安全的。

英國在管道事件中的角色并不光彩。但這并不妨礙天基太陽能發電的支持者們表示，自己的方案比依賴俄羅斯天然氣供應更安全，也比地球上的傳統太陽能發電廠更安全。

威爾遜說，“如果把太陽能電池板放置在撒哈拉沙漠等某些無人居住的地區，可以滿足全人類的能源需求。撒哈拉地區并不是世外桃源，這里也會爆發戰爭，在俄羅斯發生的事情也可能會發生在地面光伏電站上。

還有一些反對者認為，天基太陽能發電廠很容易受到反衛星導彈的攻擊。然而，卡什卻不同意。他說，擊毀地球靜止軌道上的物體，超出了大多數國家目前的能力范圍。最重要的是，用潛艇以隱蔽的方式破壞海底管道，外界很難抓到證據，但是攻擊天基太陽能發電廠是無法秘密進行的。

“攻擊核電站、天然氣管道或大陸之間的高壓電力線電纜更容易，攻擊一方很容易否認責任。但在太空中，任何攻擊都要先從火箭發射開始，這是無法隱瞞的。”

當然，用來接收天基太陽能電站微波的地面天線也需要巨大的占地面積。不過它們并不影響土地的原本用途。“整流器是一個薄網狀結構，允許陽光通過，從遠處幾乎看不見。我們設想，可以通過電線桿把天線抬高到離地面幾米的地方，將下面的土地用于機器人農業甚至傳統農業。土地將在微波接收天線的屏蔽下，人類不會受到微波輻射。

可以為飛機提供動力

在空中客車公司的未來規劃中天基太陽能可能有助于清理航空業的“碳足跡”。并不是說它會讓飛機完全擺脫化石燃料，但可能會對全球飛機排放到地球大氣層中的溫室氣體量產生影響。

“未來，隨著我們轉向氫和電池供電的飛機，可以使用天基太陽能來提升飛機的效益，將其用于起飛輔助。因為起飛是使用大部分燃料的時刻。天基波束可以在起飛時提供能量，然后在飛機飛行時充電。”

四個缺點

上面說的都是優點，天基太陽能發電廠的缺點也很明顯。

建造難

軌道太陽能發電廠必須是巨大的，這不僅僅是為了支撐龐大的光伏電池，而且是為了發射。要將微波聚焦成一個合理大小的波束，可以被合理大小的地面接收陣接收。為了做到這一點，微波發射天線要有1.6千米以上的寬度，這是因為“物理學就是如此”。

相比之下，國際空間站長108米是迄今為止最大的空間結構。所以，怎么才能把天基太陽能電站組合起來是個很大的問題。

國際空間站是迄今最大的空間設備

卡什說，他的CASSIOPeiA概念并不需要部署到靜止軌道上，在低地球軌道上部署多個小型電站就可以了。這樣所需要的天線尺寸更小，大概只有地球靜止軌道所需規模的十分之一。但另一方面，靠近地球的電廠更容易成為反衛星導彈的目標，也可能惹惱天文學家，因為它遮擋夜空太嚴重了。

在任何情況下，建造一座天基太陽能發電廠都需要數百次火箭發射，還需要發射先進機器人系統，把它們組合起來。如果采用無毒環保火箭情況還好一些。如果采用肼燃料火箭在建造過程中就會帶來大量的污染。

卡什還說，組裝用的機器人可能是實現天基太陽能電站的最大“絆腳石”。但是，“如果能夠證明我們可以使用機器人組裝直徑12米的小型CASSIOPeiA衛星，就可以逐漸擴展到100米、1千米或2千米的尺寸。”

組裝空間太陽能電站需要機器人

轉換效率低

空中客車公司最近進行了一次小規模演示，將光伏電池板產生的電力轉換為微波，并將其無線傳輸到36米外的接收站，用來測試轉換過程的效率。根據空中客車公司的計算，假設微波從靜止軌道出發，幾乎不受干擾地穿過地球大氣層，在這個過程中僅損失5%的能量。在其他過程中，比如太陽電池發電后轉換成微波，然后微波在地球上再次轉換成電力，損失就太嚴重了。

空客公司研究人員表示，“我們在演示中使用的系統，端到端效率約為5%，這是沒有可操作性的。即使陽光是免費的，要使太空太陽能發電廠有意義，效率必須至少在20%左右。

會被微隕石損壞

空間太陽能電站是一個有著扁平光伏板的巨大軌道結構，會不斷受到微隕石的沖擊，不僅有可能在運行過程中遭受重大損壞，而且會產生大量的空間碎片。

比如說，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主鏡直徑6.5米，在其運行初期受到了相當多的微流星沖擊。地面控制團隊被迫調整觀測計劃，不再觀測流星來襲比較密集的方向。

設計未來天基太陽能發電廠的工程師，必須在構建其結構時考慮到這種持續的微流星體襲擊。

韋伯望遠鏡多次遭到微流星體沖擊

科斯特說，“在電廠的生命周期內，必須設計成可以持續維護和維修的方式。它的結構如此之大，所以某些面板必然會存在缺陷。天線的理想設計將是模塊化的，可以按需更換。”

不但如此，要用盡可能薄的材料制造面板，這樣就不會產生碎片了。卡什說，“如果用某種類型的聚合物材料來制造，那么像微隕石這樣的東西就會直接打一個洞而已。”

但是，電廠壽命耗盡，該怎么辦?必須更換的故障艙段如何處理?要知道，讓一個1.6千米寬的物體留在地球靜止軌道上，不是什么好主意。威爾遜設想了一個更復雜的處置程序:當人類擁有天基太陽能發電廠時，可能月球基地已經建立起來了，可以考慮用太空拖船把它拖到月球上，對材料進行回收和重新利用。

可能導致光污染

一些天文學家擔心這種巨大的軌道結構對夜空的影響。太空探索技術公司的星鏈星座一直引起天文學界的強烈反對，因為該公司的第一批衛星在天空中非常耀眼。國際天文學聯合會譴責，星鏈對天文學研究的威脅比城市光污染更嚴重，大型巡天望遠鏡掃描大片天空時，尤其受害。

但科斯特認為，地球靜止軌道上的電廠幾乎不會造成影響。

“從地球上看，它與一顆恒星相似。電廠唯一面向地球的部分是天線，它不會反射光。”

卡什則表示贊同，他說:“天基太陽能發電廠的整個概念是收集和吸收盡可能多的陽光，而不是發光。

雖然加州理工的這次實驗取得成功，但是從中也可以看出，天基太陽能距離實用化還有很長的路要走。如果在2035年之前真的建造出一個實用的天基太陽能發電廠，那真可以算神速了。

來源: 中國宇航學會