天基太阳能：将阳光射回地球能否满足我们的能源需求？

理论物理学家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 曾经想象过一个非常先进的外星文明，它用一个巨大的人造外壳包围了它的母星。 这个的内表面 “戴森球” 将捕获太阳辐射并将其转移到收集点，在那里将其转化为可用能量。 这样的概念仍然是科幻小说，但是否可以在更小的范围内使用类似的原理来利用我们自己的太阳的能量？

毕竟，在云层之外，在近地空间的不夜光辉中，不间断的太阳能比人类未来几个世纪实际需要的要多。 这就是为什么 50 多年来，一群科学家和工程师一直在梦想着在太空中捕获这种能量并将其发射回地面的技术。

众所周知，与利用太阳和风的传统方法相比，“天基太阳能”有两大优势。 首先，将一颗阳光捕捉卫星送入太空意味着我们不需要用太阳能电池板和风电场覆盖地球上的大片土地。 其次，尽管当地天气状况不佳，但即使是阴天或风力减弱，我们也会有充足的能源供应。

这就是地球上太阳能和风能的问题：它们永远无法始终如一地满足我们的能源需求，即使大幅扩展也是如此。 诺丁汉大学的研究人员去年估计，如果英国要完全依赖这些可再生能源，该国将需要储存超过 65 太瓦时的能源。 这将花费超过 170 亿英镑，是该国即将建成的高铁网络的两倍多 (能源 14 8524）.

不幸的是，大多数实现太空太阳能的努力都遇到了看似棘手的技术和经济问题。 但时代在变。 创新的卫星设计，以及更低的发射成本，突然间使天基太阳能似乎成为一个现实的解决方案。 日本 已将其写入法律作为国家目标，而 欧洲航天局 已经发出征集意见。 中国 和 美国 都在建设测试设施。

同时，一 2021年英国政府发布的咨询意见 得出的结论是，天基太阳能在技术上和经济上都是可行的。 令人兴奋的是，它估计这种技术解决方案可以在政府间气候变化专门委员会 10 年“净零”目标之前 2050 年付诸实践。 那么，天基太阳能能解决我们的气候问题吗？ 如果是这样，是什么阻止它成为现实？

太空梦想

1968 年，Arthur D Little 咨询公司的美国工程师彼得·格拉泽 (Peter Glaser) 提出了太空太阳能的最初概念。 他设想在距地球约 36,000 公里的地球静止轨道上放置一颗巨大的圆盘形卫星 (科学 162 857）. 这颗直径约 6 公里的卫星将由光伏板制成，用于收集阳光并将其转化为电能。 然后，这种能量将使用电子管放大器转化为微波，并通过直径为 2 公里的发射器发射到地球。

它是唯一一种有潜力提供持续基准电力的绿色可再生能源。

Chris Rodenbeck，美国海军研究实验室

微波的美妙之处在于它们不会被地球上的云层吸收，因此会大部分（尽管不是完全）不受阻碍地穿过我们的大气层。 Glaser 设想它们由直径 3 公里的固定天线收集，在那里它们将被转换成电力供应电网。 “虽然利用卫星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。”

至少在某些方面，最初的反应是积极的，NASA 授予 Glaser 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得出的结论从谨慎的积极到表面上的消极。

例如，在 2015 年，这项技术只得到了不冷不热的判决 在美国陆军战争学院战略研究所（SSI）的一份报告中，其中引用了“没有令人信服的证据”表明太空太阳能在经济上可以与地面发电竞争。 SSI 特别批评其支持者关于将如此巨大的轨道结构送入太空所做的“有问题的假设”。 简而言之，报告称运载火箭数量不足，可用的运载火箭又太贵。

但 SSI 的不那么乐观的判决是在私营公司面前做出的——尤其是 SpaceX公司 – 开始改造航天工业。 通过将可重复使用的火箭系统与反复试验的研发态度相结合，这家美国公司在过去十年中将发射到近地轨道的成本削减了 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 认为发射成本的主要限制实际上不再是问题。

并不是说将卫星送入太空的成本是唯一的症结所在。 Glaser 最初的概念看似简单，但隐藏着许多挑战。 对于初学者来说，当卫星绕地球运行时，太阳、飞行器和地球上能量发送点之间的角度不断变化。 例如，如果地球静止卫星在地球上训练，其光伏电池将在中午面向太阳，但在午夜时背对着太阳。 换句话说，卫星不会一直发电。

这个问题的最初解决方案是相对于保持固定的微波发射器不断旋转光伏板。 光伏板将始终指向太阳，而发射器将始终面向地球。 NASA 于 1979 年首次提出该解决方案作为 Glaser 想法的发展，该解决方案在 2015 年由北京中国空间技术研究院的工程师提出的提案中进一步扩展，他们将其称为多旋转关节太阳能卫星，或 磁共振SPS （图1）。

同时， 约翰·曼金斯，前美国宇航局工程师，在 2012 年发明了一个竞争解决方案。被称为 SPS阿尔法，他的想法是保持太阳能电池板和发射器固定，但在电池板周围安装许多镜子（图 2）。 这些镜子被称为定日镜，能够旋转，不断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。

然而，根据 MR-SPS 和 SPS Alpha 的说法，两者都不令人满意 伊恩现金, 董事兼总工程师 国际电器有限公司 在英国牛津郡。 Cash 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清洁、大规模能源的私人开发。 最初被核聚变的潜力所吸引，他被其“非常困难”的问题推迟，并迅速将天基太阳能作为最实用的选择。

对于 Cash，MR-SPS 和 SPS Alpha 的问题在于它们必须相对于其他部分旋转卫星的某些部分。 因此，每个部分都必须在物理上相互连接，并且需要一个可以移动的铰接关节。 问题是，在国际空间站等卫星上使用时，此类接头可能会因磨损而失效。 Cash 总结道，省略铰接接头将使太阳能卫星更加可靠。 “我想知道如何才能拥有一个始终能看到太阳和地球的固态解决方案，”他说。

到 2017 年，Cash 已经想通了，至少他是这么说的。 他的 CASSIOPEA理念 是一颗基本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“立管”。 其巧妙的螺旋几何形状意味着 CASSIOPeiA 可以全天 24 小时接收和传输太阳能，没有活动部件（图 3）。

Cash 打算通过许可相关知识产权从 CASSIOPeiA 中获利，并声称他的概念有许多其他好处。 他提议的卫星可以由数百个（也可能是数千个）连接在一起的较小模块构成，每个模块捕获太阳能，将其电子转换为微波，然后将它们传输到地球。 这种方法的美妙之处在于，如果任何一个模块被宇宙射线或空间碎片击中，它的故障不会摧毁整个系统。

CASSIOPeiA 的另一个优点是非光伏组件永久处于阴影中，从而最大限度地减少了热耗散——这在无对流真空空间中是一个问题。 最后，由于卫星始终朝向太阳，它可以占据更多类型的轨道，包括那些高度椭圆的轨道。 有时它会比地球静止时更靠近地球，这使得它更便宜，因为你不需要在如此巨大的发射器的基础上扩展设计。

不出所料，Cash 的竞争对手不同意他的评估。 Mankins，现在位于 Artemis 创新管理解决方案 在美国加利福尼亚州，他争论说他的 SPS-Alpha 概念中的铰接式定日镜是一个问题。 相反，他声称它们是“ [一种] 非常成熟技术的简单扩展”，该技术已经被用于集中阳光来加热流体并驱动涡轮机 “太阳能塔” 在地球上。 他还认为 CASSIOPeiA 所需的双镜可能是个问题，因为它们必须非常精确地构建。

“我非常尊重 Ian 和他的工作； 他最近的 CASSIOPeiA 概念是几个性质非常相似的概念之一，包括 SPS-Alpha，”Mankins 说。 “但是，我不同意他的期望，即 CASSIOPeiA 将被证明优于 SPS-Alpha。” 对于曼金斯来说，太空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。

可扩展且引人注目

在太空太阳能之后，人们对太空太阳能的兴趣得到了进一步的推动。 英国政府的 2021 年报告 进入技术，这对这个概念几乎没有比这更积极的了。 它是由英国咨询公司的工程师起草的 弗雷泽 - 纳什，他与许多空间工程和能源专家通信——包括 SPS Alpha、MR-SPS 和 CASSIOPeiA 的发明者。

该报告得出结论认为，地球静止轨道上一颗 1.7 公里宽的 CASSIOPeiA 卫星将太阳辐射传输到 100 公里的² 位于地球上的微波接收器阵列（或“整流天线”）将产生 2 GW 的连续功率。 这相当于一个大型常规发电站的输出。 它也比现有的要好得多 伦敦阵列风电场 位于泰晤士河口，面积大约大 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。 根据估计全尺寸系统的开发和发射成本为 16.3 亿英镑，并考虑到最低同比投资回报率为 20%，它得出的结论是，天基太阳能系统可以在其大约 100 年的使用寿命内以每兆瓦时 50 英镑的价格产生能量。

Frazer-Nash 说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%，这些能源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“预计会随着开发的进行而减少”。

“它的可扩展性令人难以置信，”说 马丁索尔陶 Frazer-Nash 的作者之一。 由于地球周围空间的阳光水平比地球下方要亮得多，他估计每个太阳能模块收集的能量是安装在地面上时的 10 倍。 该报告估计，到 15 年，英国总共需要 2050 颗卫星——每颗卫星都有自己的整流天线——才能满足该国四分之一的能源需求。每颗整流天线都可以位于现有风电场旁边，甚至位于现有风电场内。

如果该计划进一步扩大，原则上它可以满足全球 150% 以上的电力需求（尽管弹性能源供应通常需要广泛的能源组合）。 Soltau 补充说，天基太阳能对环境的影响也将比地球上的可再生能源低得多。 碳足迹很小，对稀土矿物的需求很少，而且与风力涡轮机不同，没有噪音或高大的可见结构。

如果这一切听起来好得令人难以置信，那很可能是真的。 Frazer-Nash 报告承认存在几个“发展问题”，特别是寻找提高无线能量传输效率的方法。 克里斯·罗登贝克来自华盛顿特区美国海军研究实验室的电气工程师表示，该技术的大规模示范很难实现。 它们需要对电子元件进行持续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获得。

幸运的是，无线能量传输已经发展了几十年。 2021 年，Rodenbeck 的团队在 1.6 公里的距离内发送了 1 千瓦的电能，微波到电能的转换效率为 73%。 从表面上看，这不如迄今为止最强大的无线能量演示令人印象深刻，该演示发生在 1975 年，当时工作人员在 美国宇航局戈德斯通实验室 在加利福尼亚州以 10% 以上的效率将 80 GHz 微波转换为电能。 然而，至关重要的是，Rodenbeck 使用频率较低的 2.4 GHz 微波，这种微波在太空中遭受的大气损耗要小得多。

为了抵消在较低频率下自然发生的较高衍射（波束扩散），研究人员利用周围地形将微波“反弹”到接收器阵列，从而将功率密度提高 70%（IEEE J. Microw。 2 28). Rodenbeck 说：“在全球大流行期间，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成就。”

最初的建设将需要一个 24/7 的太空工厂，以及像地球上的汽车工厂一样的装配线。

Yang Gao，萨里大学

罗登贝克看好天基太阳能的前景。 他声称，尽管核聚变“遇到了物理学的基本问题”，但天基太阳能——和无线电力传输——只是“遇到了美元”。 “[它]是唯一一种有潜力提供持续、基准电力的绿色可再生能源，”Rodenbeck 声称。 “除非在受控核聚变方面取得技术突破，否则人类很有可能利用太空太阳能满足未来的能源需求。”

不过，需要注意的是 杨高，英国萨里大学的一名太空工程师，他承认拟议的太空系统的“规模之大”“非常令人兴奋”。 她认为，最初的建设很可能需要“一个 24/7 的太空工厂，配备像地球上的汽车工厂一样的装配线”，可能会使用自主机器人。 至于维护设施，一旦建成，高说这将是“苛刻的”。

对于卡什来说，至关重要的是太空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 Cash 表示，通过利用多颗位于更短、高度椭圆轨道上的卫星，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全尺寸的。

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围绕 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卖——尽管最大光束强度仅为 250 W/m²，不到赤道最大太阳强度的四分之一。

事实上，英国报告承认其支持者需要测试公众的胃口，并围绕关键思想“策划对话”。 但也有真正的技术和社会考虑因素。 整流天线将位于何处？ 如何在不增加太空垃圾的情况下在卫星寿命结束时退役？ 微波频谱中是否还有其他空间？ 系统是否容易受到攻击？

在其报告之后， 英国政府公布了一项 3 万英镑的基金 为了帮助行业开发一些关键技术，前商务部长 Kwasi Kwarteng 表示，太空太阳能“可以为全世界提供负担得起的、清洁的和可靠的能源”。 这笔钱不太可能用于这种规模的事业，这就是为什么 Soltau 帮助建立了一家名为 太空太阳能，希望从私人投资者那里筹集到最初的 200 亿英镑。

同时，他称之为“自愿合作”， 空间能源计划，聚集了来自 50 多个学术机构、公司和政府机构的科学家、工程师和公务员，他们正在努力 无偿 帮助实现一个工作系统。 SpaceX 尚未在名单上，但 Soltau 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。

现金并不怀疑会找到投资。 如果没有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载电力，而核能总是面临强烈反对。 Cash 认为，如果我们要实现净零排放，太空太阳能是其中的重要组成部分，而仅仅要求人们使用更少的能源是一个“危险的想法”。 大多数战争都是因为人们认为缺乏资源而发生的，”他说。 “如果我们不考虑如何让文明向前发展，那么另一种选择是非常可怕的。”