各国角逐太空太阳能新技术研发，天基发射会成为清洁能源 ...

程少骏

最近的美国宇航发生了两件大事，一是11月11日，挑战者号的最大碎片之一偶然在海底被发现，该航空飞机于1986年在NASA肯尼迪航天中心发射失败、“惨烈”爆炸并坠落；一是11月16日美国宇航局的猎户座太空发射系统火箭顺利将Artemis I飞行器发射升空。



艺术家笔下的卫星，通过向地面接收站发射电力收集阳光，向地球轨道供电 来源：欧航局

在能源领域，航空技术也正在带来积极改变。


当发明家查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）在19世纪80年代造出第一个简易太阳能光伏电池板时，人们认为这一技术将迅速改变全球电力供应。
毕竟，没有比阳光更便宜、更清洁、更无处不在了。
然而，尽管从诞生至今太阳能发电越来越方便和廉价，技术也在持续进步，但其提供的电力仍然不到全世界5%。
太阳能的好处多，但其限制条件和缺点也很明显——最主要是因为昼夜自转，地球表面每天有一半处于黑暗中。
1968年，美国航空航天工程师彼得·格拉泽（Peter Glaser）详细介绍了这些问题的潜在解决方案，不仅“跳出框框”，而且完全搬到了地球大气层之外。


格拉泽的方案不是在地球土地上建造太阳能发电场，而是提议将光伏发电送入太阳能卫星群的轨道。
在轨道上的太阳能发电，不受云层衰减和行星的昼夜循环的影响，能以最佳效率采集阳光，然后以微波形式发射至地面的“整流天线”（rectennas）。
在地球上，微波将被转化为电能，并输送到各地电网。
然而，在当时和之后的几十年里，太空发射的成本太高，光伏的性能太低，这一好主意无法落实。
现在，技术进步和对清洁能源日益增长的需求，让天基太阳能（SBSP）的概念投入试验，美国、中国、欧洲和日本相继设立了试点项目。
随着新研究越来越多，天基太阳能能否成为成熟的发电方式逐渐成为人们关心的问题。
面向未来的选择

随着航天工业的快速发展和传统能源对气候的影响变得恶劣，NASA（美国宇航局）正在密切关注SBSP的应用前景。
NASA技术、政策和战略办公室（OTPS）的政策分析师尼古拉·约瑟夫（Nikolai Joseph）是即将进行的研究的主要作者，专门研究SBSP发电方法。
他说，鉴于全球对天基太阳能发电这一变革越来越关注，OTPS的这项研究是有意义的。
“几十年来，太空中的太阳能一直很有吸引力，但造出并发射这样的航天器被认为非常昂贵，”约瑟夫说。
“现在，过去十年的技术发展和航天工业的增长可能意味着这种情况正在发生变化。定期重新审视好的想法并调查选项非常重要。”
NASA需要知道什么是可行的，因为太空太阳能的出现将与很多其他领域存在利益竞合。


NASA需要关注空间技术的各个方面，我们应该始终着眼于未来。
对于美国宇航局来说，这一技术未来很可能在地球之外用于支持Artemis载人月球探索计划。
例如，SBSP部署在月球周围，可以帮助增强月球表面的基地和其他探索活动。
更雄心勃勃的是，发射光束有朝一日也可用来将航天器送到其他行星等星际目的地，而无需携带昂贵又麻烦的机载推进剂。
未来能源的“灵丹妙药”

SBSP的前景，其被认为是实现温室气体零排放（zero emission）的理想方式，同时具备充足、稳定、可持续的特点。
与地面太阳能和风能这两种发电方式更易受环境条件波动影响相比，SBSP可以全天候运行，提供所谓的基本负荷电力，同时还能在电网之间敏捷响应、迅捷分配电力（即“可调度”电力，“dispatchable” power）。
“其独特之处在于，太空太阳能可以在城市范围内提供基本负荷和可调度电力，因此是一种非常有价值的新清洁能源技术，”弗雷泽·纳什咨询公司的分析师兼英国太空能源计划（SEI）联合主席Martin Soltau说。
“另一个优势是，太空太阳能不需要重新设计电网。我们设想，地面‘整流器’在现有的电网附近相连，可以毗邻海上风力发电场。”
SEI致力于维系政府、工业和学术界之间的合作关系，旨在建立SBSP太空电力设施，到2040年实现与英国地面电网相连。
根据计划，SEI的每一个航天器将产生与燃煤或核电站相当的电能。
然而，要实现这些目标需要进行强大的太空测试。因此，在正式推出完整的SBPS设备之前，SEI计划在2030年之前发射一次轨道演示器。
“早期在太空中测试和展示的技术，最重要的可能是两种：大型自主机器人组装，和在一定功率水平下从太空向地球的太阳能传输，”Soltau说。
“还有许多其他重要问题亟待解决，如监管环境和频谱分配，”他补充道。
高科技测试

SEI并不是唯一一家对SBSP相关硬件进行测试的公司。全球其他地方在开展多个项目。
中国空间技术研究院（China Academy of Space Technology）和中国西安电子科技大学已经建立了一个大型装置，研发聚光和无线电力传输等新技术。


该项目名为“逐日工程”（Chasing the Sun），在该大学南校区建造了高75米的钢塔，用于空间太阳能电站研发。
新设施用于测试和验证球形膜能量收集阵列（OMEGA）技术，这是一种在地球静止轨道上收集太阳能的聚光器系统。
欧洲航天局也有相关计划，名为SOLARIS计划，规划三年的研究期，旨在探索SBSP概念及其关键技术。
SOLARIS计划在今年11月的欧航局部长级理事会会议上被批准。10月18日，欧航局举办了“SOLARIS工业日”，以推进SBSP的研发进度，如果得到支持，将于2023-2025年按期完成。
在日本，自1980年代以来，研究人员一直在努力研究SBSP。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的研究人员制定了一项计划，用于开发和测试控制功率束（power beams ）和在轨道上组装大型设施的新方法。
理想情况下，该研究将在未来十年或二十年内造出SBSP系统。
除了论文评估之外，日本SBSP研究人员还在研发提高激光和微波能量束精度的技术，并进行相关的亚轨道火箭飞行，以收集参数和技术数据。
至于美国，除了NASA及其民用航空领域外，国防部也对使用SBSP为全球军事行动提供动力非常感兴趣。
美国空军研究实验室的太空太阳能增量演示和研究（SSPIDR）项目，其最新成果涉及航空航天公司诺斯罗普格鲁曼公司以及美国海军研究实验室（NRL）。
SPPIDR最近进行了首次地面设备测试，用于名为Arachne的太空飞行实验。
Arachne预计将于2025年发射，其任务之一是展示在地球低轨道上产生和聚焦射频束的能力。
根据美国空军的说法，这项工作的目标是“为远征军提供不间断和敏捷的动力后勤保证”。
与此同时，NRL率先推出了专门的提高太阳能转化效率的模块，其中之一是一种称为光伏射频微波技术模块的测试设备（Photovoltaic Radio-Frequency Antenna Module），甚至被美国空军的秘密实验飞机X-37B带上太空中度过了900多天。
太空太阳能的前世今生

NRL电子工程师保罗·贾菲（Paul Jaffe）在SBSP相关工作方面有着悠久的历史，他说，多年来，人们对这个话题的兴趣一直在起伏不定，但目前项目的激增是因为关键使能技术取得了真正有意义的进展。
“历史上对SBSP的反对意见是经济上的，主要是发射成本的问题，”Jaffe说。“我认为它是否具有经济意义仍然没有定论。仍然需要大量的电网技术发展，以达到我们想要享受的弹性和供应水平。
Jaffe说，在开发成熟系统之前，太空SBSP硬件演示是合理和明智的。他指出，这样的测试可能会花费数亿美元，即使有这样的启动资金，SBSP仍然需要持续的政治支持。它是否起飞取决于经济和监管因素，以及技术发展。
“归根结底，它归结为以与替代品相比具有成本竞争力的方式做到这一点，”Jaffe说。
前NASA技术专家和长期SBSP活动家约翰·曼金斯（John Mankins）仍然看好这种方法的前景。恰如其分的是，他还是国际宇航科学院空间太阳能常设委员会的现任联合主席。
过去，SBSP计划受到三个相互关联的财务障碍的阻碍：建造必要硬件的高成本，确保硬件适合空间环境，然后将其实际送入轨道。“这三者都被打破了，”曼金斯说，由于太空机器人技术的进步，大规模生产SBSP组件的能力以及将硬件投入太空的价格暴跌。
他说，综上所述，这种三重积极趋势可能会将前期投资成本削减数千亿美元，使SBSP进入经济可行性的新时代。曼金斯说，这足以激发当今跨国对SBSP的兴趣和参与。
前途未卜

并不是每个人都对SBSP的前景持如此乐观的看法。一位著名的评论家是洛文斯（Amory Lovins），他是能源政策专家，也是RMI（前身为落基山研究所）的联合创始人兼名誉主席。
RMI是一家旨在改善世界能源实践的非营利组织。Lovins是斯坦福大学土木与环境工程的兼职教授，也是该大学Precourt能源研究所的学者。
洛文斯说，发射成本“仍然是SBSP的一个巨大障碍”，尽管NASA航天飞机的性价比曲线与SpaceX的猎鹰助推器系列比，地球低轨道有效载荷的每公斤成本下降了大约20倍。
洛文斯表示，也存在安全问题，他回忆起1960年代后期SBSP热情第一次飙升时仍然存在的问题。
“当时有些人想知道来自太空的微波束武器是否是议程的一部分，”他说。
“现在我们可能更关心的是在一个已经非常脆弱和脆弱的输电网中增加另一个超级集中式电源。
尽管SBSP在概念上仍然具有吸引力，但Lovins表示，可再生能源的其他趋势对其可行性构成了巨大挑战。
地面可再生能源已经迅速变得更便宜，风能和太阳能都提供每千瓦时电力三美分或更低的批发价。
他说，将这些“地面”来源整合到预先存在的电网中，以确保“牢固”的电力输送，几乎不会增加成本。
洛文斯由此得出结论，SBSP备受吹捧的好处——无论在白天或黑夜都持续可用——只是很小的一点。
他说，在这种情况下，进入太空以击败每千瓦时陆地可再生能源的廉价成本仍很困难。
“简而言之，我认为光伏电池将从你的屋顶 - 甚至可能在西雅图 - 提供比太空更便宜的电力，”洛文斯说。“我不是太空专家，但对我来说，SBSP的这种基本障碍是否会改变并不明显。陆地风能和光伏电池的成本都将再下降两到三倍，使它们的能量非常接近免费。
洛文斯问道，为什么要花这么多的麻烦和费用在地球大气层之外收集阳光，“当它已经免费分发，像雨一样落在正义和不正义的人身上时？
就像SBSP本身一样，为这个哲学问题找到一个明确的答案仍然是一项正在进行的工作。

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