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厂来应对能源危机，但建设成本似乎限制了天基太阳能的发展。 然而，可重复使用火箭的出现使得天基太阳能成为可能。

文字| 斯图尔特克拉克（克拉克）

翻译|马骏

编辑| 文静

原文发表于《科学焦点》2023.05期

向地球传输电力的“通信卫星”

2022年11月下旬，欧洲航天局（ESA，简称欧空局）科学技术部长理事会在巴黎召开会议，制定了欧空局未来三年的工作重点。 其中之一涉及当前和未来的全球热点问题——能源问题。 欧洲航天局决定实施“天基太阳能”（Space-Based Solar ）计划，以使欧洲摆脱化石能源短缺问题，并确保欧空局成员国的能源安全。 简而言之，该计划旨在研究建立天基在轨商业电站的可行性。

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的太阳能，将其转化为电能，然后以微波的形式传输到地球。 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。

这听起来像是科幻小说中的东西。 但欧空局科学家桑杰维詹德兰（ ）表示，事实上，过去60年来科学家们一直在做类似的尝试。 因为通信卫星可以通过太阳能电池板发电，并依靠这种电力向地球传输信号。 在地面上，这些信号被转换为电信号以进行数据解释。 “通信卫星传输信号所涉及的物理原理与天基太阳能发电所涉及的物理原理完全相同，但发电规模却有很大不同。” 维詹德兰解释道。

每公斤运费300美元是可以实现的

为了实现商业规模发电，太空太阳能发电站需要配备长达数千米的太阳能电池板，这是国际空间站太阳能电池板总长度的10倍以上。 这些太阳能电池板将由机器人安装在距地球表面 36,000 公里的太空中。 这个高度位置与通信卫星处于同一轨道，使得太阳能发电站可以与地面接收站保持相对静止，以利于能量传输。

这听起来很困难。 然而，目前建设天基在轨太阳能电站的障碍只有一个，那就是成本问题——将建筑材料运送到太空的成网本太高。 通常情况下，向太空运送货物的成本约为每公斤1000美元（约合人民币7200元），但鉴于天基在轨太阳能发电站体量庞大，建设成本较高，投入产出也较高。比例不合理。 实现商业用途。

然而，随着的可重复使用火箭在太空中的使用越来越频繁，网航天成本正在急剧下降。 “对于建设天基太阳能发电厂来说，每公斤300美元（约合人民币2200元）的运输成本简直是个好消息。” 前NASA物理学家、现任创新管理解决方案公司总裁约翰曼金斯（John）说道。

曼金斯是太阳能卫星领域的知名专家。 他长期以来一直认为，运输建筑材料的成本是天基太阳能发电的限制因素。 但这个限制因素不会持续太久。 “每公斤 300 美元的运输成本将在未来五到七年内成为现实，”曼金斯说。

正因为如此，欧洲航天局正在与欧洲相关制造公司合作设计两种太阳能卫星。 此外，欧空局还启动了太阳能电池和大型天线的研发计划，以使太阳能发电卫星更轻、更高效。

实验卫星已能够向地面传输能量

天基太阳能技术的前景如此广阔，不仅欧洲航天局，其他机构和公司也在进行类似的研究。

2021年9月，一家名为-Nash的英国咨询公司向英国政府提交了一份报告。 他们表示：“天基太阳能项目在技术上可行，成本可以接受，可以为英国带来可持续的经济效益。” 这也将有助于实现净零排放的目标。”近日，英国政府宣布将拨款430万英镑（约4000万元人民币）探索太空太阳能，以期提供更清洁、更便宜的能源和改善英国能源安全。

中国也在推动这项技术的发展，并计划在2028年完成空地能源传输的可行性研究。目前，中国的计划旨在验证技术可行性，而不是建设真正的商业性天基太阳能发电厂。 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。

2023年1月3日，加州理工学院研究团队发射了一颗名为“太空太阳能演示器”（Space Solar Power，简称SSPD）的实验卫星，以验证在轨太阳能发电的正式运行。 网站所需的技术。 6月1日，加州理工学院宣布，该卫星已将微波束的能量引导至太空中的目标，甚至还将部分能量发送至地球上的探测器。

“显然，我们必须加大努力。” 维詹德兰表示，“天基太阳能计划对于我们验证太空太阳能发电是否可行具有重要意义，也将推动后续相关研究。”

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