上月，欧洲航天局（European Space Agency）局长Josef Aschbacher在社交媒体Twitter发文称，“在今年11月欧洲航天局部长级会议上，我将向成员国提出一项名为SOLARIS的空间太阳能项目筹备计划。我们已经有了主要的构建模块，但需要明确的是，要使项目成功，仍然需要大量的技术开发和资金”。

根据欧洲航天局的说法，Solaris将是一项为期三年的研究计划，旨在解决空间太阳能相关的技术问题，以及如何将太阳能转化为电能并传输到地球使用；同时研究也将开发空间太阳能的潜在商业机会。在Josef Aschbacher看来，空间太阳能将是欧洲实现碳中和及能源独立的关键技术。

空间太阳能卫星概念图
图片来源：欧洲航天局

空间太阳能如何应对能源危机？

空间太阳能并不是一个新鲜的概念，早在1941年时，美国科幻小说作家Isaac Asimov就曾经在短篇小说“Resaon”（《推理》）中畅想，在太空收集太阳能量并传送至地球。1968年，美国科学家Peter Glaser提出了在地球轨道上建造空间太阳能电站的构想。在Peter Glaser的设想中，巨大的太阳能电池阵将放置在地球轨道上组成太阳能发电站，在收集太阳能后转化成电能并以微波形式传输回地球。因当时技术条件的限制以及造价高昂，Peter Glaser的想法并没有得到落实。

根据美国能源部的解释，太阳能技术通过光伏面板将接收到的太阳辐射转化为电能，这种能量既可用于发电亦可储存在电池或蓄热器中。空间太阳能技术的工作原理并无不同，只是安装太阳能面板的位置从地面转移到地球静止轨道（与气象卫星所处的位置一致），另外相较地面太阳能装置，空间太阳能增加了向地球传输太阳能的步骤。

在设备方面，空间太阳能发电系统主要依靠搭载太阳能电池板的巨大航天器以及太阳能卫星吸收能量。美国科普杂志《大众科学》（Popular Science）资深作者Thor Benson介绍，在完成能量收集之后，这些能量将被转化成微波形式并以无线传输方式传送至地面接收站，用于地面发电。

太空太阳能从收集到传输能量的示意图
图片来源：Air Force Research Laboratory

从太空向地球传输微波的方式虽然听起来存在风险，但加州理工学院（California Institute of Technology）电气工程系教授Ali Hajimiri称这种方式其实非常安全，“你获得的能量密度实际上低于你站在阳光下获得的能量密度......这种非电离辐射的方式相较于直射的太阳光更为安全”。

另外Ali Hajimiri也表示，空间太阳能发电站可以享受24小时的充足阳光，相较于陆地上的太阳能装置，空间太阳能是更有效的发电方式，“太空中没有白天和黑夜之分，也没有季节变化和云层遮挡，太空中可接收到的总能量会（较陆地）高出8至9倍”。据Ali Hajimiri介绍，太空不止可以产生足够的太阳能，而且“你可以动态调度电力”，产生的能量可以根据不同区域的需求进行灵活分配。

美国非营利组织国家太空学会（National Space Society）认为，空间太阳能不仅可以提供大量的能源，而且其对环境产生的负面影响非常小；面对现今棘手的能源危机与温室气体排放问题，空间太阳能也是非常可行的解决方案，其足以使其他任何能源组合都相形见绌。

太阳能电池板
图片来源：pixabay

精于空间太阳能业务的美国咨询公司Artemis Innovation总裁John Mankins亦表示，在过去十年中，研究人员在空间太阳能研究方面取得了长足进步，这增加了在未来10年落实该技术的可能性。

硬核技术仍存在软肋

为了更好地了解开发空间太阳能的成本和收益，欧洲航天局特别委托英国和德国的咨询团队进行了深入研究。研究结果显示，欧洲目前每年约消耗3000太瓦时（TWh）的电量，启用空间太阳能将可满足欧洲三分之一至四分之一的电力需求，但是其开发和部署成本将达到千万亿欧元。

庞大的资金需求源于空间太阳能技术的复杂性，科技资讯网站Ars Technica太空领域高级编辑Eric Berger解释，要实现空间太阳能发电需要大量可收集阳光的卫星作为支持，每一颗卫星的重量是国际空间站的10倍甚至更高，仅仅将这些卫星运输到地球静止轨道就需要成百上千次的发射，且现阶段发射的航天飞船是不可重复使用的。显而易见，该技术在部署阶段就需要极高的生产和物流成本。

图片来源：NASA

英国咨询团队Frazer-Nash在研究报告中指出，依照目前的火箭发射情况推测，将一颗可实现空间太阳能技术的卫星送入轨道需要4至6年时间，而且只有在运输能力提升200倍的情况下，空间太阳能技术才能为欧洲2050年实现碳中和的目标最大化做出贡献。

不可否认，空间太阳能对于任何国家而言都是非常有吸引力的获取能源的方式，但是排除高成本的开发和部署环节，该技术本身目前仍然存在限制，其中之一就是传输损耗。特斯拉创始人马斯克Elon Musk表示，“如果有人喜欢空间太阳能技术，那应该是我，我有一家火箭公司，同时还有一家太阳能公司”，但现实情况是，虽然在地球轨道使用太阳能电池板可以获得更多的太阳能，但在将其转化至地球可用的电能这个过程中，经历了多重转换，“转换效率达到50%都非常困难”。

英国绿色能源解决方案供应商GreenMatch提出，太空中的环境也存在潜在威胁，空间碎片、极端太阳能辐射等等都有可能损坏太阳能电池板。GreenMatch估计太阳能电池板在太空中的退化速度较地球会快8倍。

图片来源：theconversation.com

多个国家正布局“太空抢位”

空间太阳能目前仍然是正在探索中的技术，面对日益增长的能源需求，欧洲航天局并不是首个将目光投向太空的组织，美国、英国、中国等也均开启了探索之路。

2021年，中国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式开工建设，该基地主要用于进行空间太阳能发电站、无线微波传能以及空间信息网等技术的前期演示模拟与验证。中国工程院院士、重庆大学通信与测控中心教授杨士中介绍称，基地的模拟与验证情况将可为相关技术研究提供重要参考。

中国另一个空间太阳能技术研究团队“逐日工程”也在今年6月表示，其研究的世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收，其中涉及多项关键性技术的突破。

“逐日工程”地面验证系统
图片来源：凤凰网

据英国《泰晤士报》（The Times）通讯员Rhys Blakely今年3月报道，英国政府也正考虑投资160亿英镑建设空间太阳能电站，太阳能卫星的直径预计将达到1.7公里，重量约为2000吨，计划于2040年建成并投入使用。该项目被视为英国到2050年实现零碳排放的潜在措施之一。但World Economic Forum（世界经济论坛）称，如果成功建成，这颗卫星将为英国提供2GW（吉瓦）电力，相较于英国每年约76GW的耗电量似乎仍显不足。

美国加州理工学院也在开展“空间太阳能发电项目”（Space Solar Power Project），该项目正在开发可以收集太阳能并将其发射到地球的各类硬件设施。据英国空间和天文学新闻网站Space.com介绍，项目研发成果预计将在2023年进行首次太空空间实际测试。除了美国加州理工学院的研究团队，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）也正在攻坚空间太阳能相关技术。

美国加州理工学院正在研究无线传输系统
图片来源：spacesolar.caltech.edu

美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics）副理事James M. Snead将空间太阳能产生的电能称为“天体电”（astroelectricity）。在他看来，石油和天然气作为两种主要能源维持着现今的工业和生活；但在22世纪，他认为世界上仅有20%的电力来源于陆地的能源，剩下80%将由“天体电”供给。

现如今各个国家对空间太阳能探索重心不止包括技术本身，亦包括如何应对空间太阳能存在的问题，这些探索在当下及未来都有着非常重要的意义。加州理工学院电气工程系教授Ali Hajimiri直言，“今天所有司空见惯的技术都是在过去某个时候可怕或未知的东西......重要的是，我们不应该让对未知事物的恐惧决定我们未来的方向。”

题图来源：欧洲航天局©Andreas Treuer
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