加州理工学院团队推出实验性太空太阳能阵列

NASA

自工程师们研究从太空向地球发射太阳能以来，不得不承认，这不是一个能够立刻实现的想法。精心设计的轨道太阳能发电场已经流传了几十年，但由于光伏电池效率低下，任何阵列都需要与城市规模相当。这些计划看似还需要一些时间。

不过，这一切逐渐开始了改变。目前，在头顶约525公里的太阳同步轨道上，有这样一颗小型实验卫星，名为“Space Solar Power Demonstrator One”（简称SSPD-1）。它是由加州理工学院的一个团队设计和建造的，加州房地产开发商Donald Bren对其捐款资助，并于1月3日在SpaceX Falcon 9火箭上与其他113个小型有效载荷一起发射。“

“据我们所知，这将是太空中实际电力传输、无线电力传输的首次演示，”加州理工学院电气工程教授、空间太阳能项目（Space Solar Power Project）SSPD-1背后项目的共同负责人Ali Hajimiri说。

加州理工学院的团队正在等待一艘小型太空拖船的操作人员的批准，该拖船与之相连，提供指导和姿态控制。如果一切顺利，SSPD-1将花费至少五到六个月的时间来测试未来可能在太空的太阳能站的原型组件。在接下来的几周里，希望展开一个称为DOLCE（Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment，可部署在轨超轻复合材料实验的简称）的轻型框架，未来太阳能电池阵列的部件可以安装在该框架上。航天器上的另一个小组件包含32种不同类型的光伏电池的样本，旨在了解哪种电池最有效、最耐用。除此之外，第三部分包含一个微波发射器，用来证明太阳能电池的能量可以发送到接收器。对于第一次实验，接收器就在飞船上，但如果它成功了，未来的一步发展旨在通过微波向地面接收器发送电力。

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越来越多的工程师和决策者开始认真对待来自太空的太阳能问题。欧洲航空航天公司Airbus一直在地面测试自己的技术，中国、日本、韩国和美国的政府机构也都安装了小型项目。英国工程咨询公司Frazer-Nash在2021年提交给英国政府的一份报告中表示：“最近的技术和概念进步使这一概念既可行又具有经济竞争力。” 从事这项技术的工程师表示，与电离辐射不同，微波功率传输是安全的，因为电离辐射对人或其路径上的其他事物有害。

工程师表示，可以看到，几项进展正交织在一起。

一方面，在SpaceX和Rocket Lab等其他规模较小的公司的带领下，将硬件送入轨道的成本不断下降。SpaceX在其网站上有一个简化的计算器，显示如果你想将一颗50公斤重的卫星送入太阳同步轨道，需要花费275000美元。

与此同时，光伏技术也在逐步提高。轻量的电子元件越来越好，越来越便宜。此外，还有政治压力：各国政府和主要公司承诺在应对全球气候变化的斗争中实现脱碳，承诺使用可再生能源替代化石燃料。

至少在可预见的未来，大多数太阳能将是地面的，这将比任何人发射到太空的任何东西都更便宜，更容易维护。天基太阳能的支持者表示，目前，他们认为它最适合用于特殊需求，例如偏远前哨站、灾难后恢复的地方，甚至其他太空飞行器。

但Hajimiri表示，不要低估太空的优势，比如未经过滤的阳光，它比到达地面的阳光强得多，如果你能制造出足够实用的轨道阵列光，它将不会受到黑暗或恶劣天气的干扰。

过去的大多数设计，都是由当时的技术所决定的，包括不可能的大型truss结构，用于固定太阳能电池板，以及将电力输送至中央发射机的布线。加州理工学院的团队将免除所有这些。一个阵列将由数千块小到100平方厘米的独立贴片材料组成，每个贴片都有自己的太阳能电池、发射器和航空电子设备。它们可能是松散连接的，或者它们甚至可以编队飞行。

Hajimiri说：“我喜欢用的比喻是，这就像一支蚂蚁大军，而不是一头大象。” 面上的接收器可以通过来自贴片的相控阵微波信号同步传输，这样就可以在没有移动部件的情况下进行瞄准。光伏电池及其电子元件的部件可能非常轻，因此非常灵活。新算法可以保持信号聚焦。

“这就是我们正在研究的事情，”州理工学院项目的合作者Harry Atwater在计划SSPD-1时说道，“真的像薄纱一样超轻，是质量密度可部署系统的极限。”

如果它成功了，在30年后，也许会有轨道太阳能发电队，增加世界的能源组合方向。换句话说，正如Frazer Nash最近的一份报告所总结的那样，这是“潜在的游戏规则改变者（a potential game changer）”。