太空探索技術(shù)：空間軌道太陽(yáng)能電池陣列試運(yùn)行

加州理工學(xué)院衛(wèi)星測(cè)試從太空發(fā)送太陽(yáng)能。

幾乎每次工程師談到在太空中將太陽(yáng)能發(fā)送到地球，他們都會(huì)提醒道，這不可能很快實(shí)現(xiàn)。光伏電池的效率太低，軌道電池陣列需要像城市那么大。該計(jì)劃如同圖書館的上層書架一樣，距離太空很遙遠(yuǎn)。

不過，情況開始發(fā)生變化了。2023年1月3日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）獵鷹9號(hào)火箭將一顆小型實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射到高度約525公里的極地軌道，在那里，航天器會(huì)始終處于陽(yáng)光之下。它被稱為“太空太陽(yáng)能示范者一號(hào)”（SSPD-1），由加州理工學(xué)院設(shè)計(jì)和建造，并得到了加州房地產(chǎn)開發(fā)商唐納德?布倫（Donald Bren）的資助。

“據(jù)我們所知，這將是首次演示如何在太空中實(shí)際傳送電力，而且是無線電力傳送。”加州理工學(xué)院電氣工程教授、SSPD-1太空太陽(yáng)能項(xiàng)目聯(lián)合負(fù)責(zé)人阿里?哈吉米瑞（Ali Hajimiri）說。

如果一切順利，SSPD-1將花至少5個(gè)月的時(shí)間在太空中測(cè)試未來太陽(yáng)能站的器件原型。項(xiàng)目經(jīng)理希望測(cè)試一種名為DOLCE（可在軌道上部署的超輕復(fù)合實(shí)驗(yàn)材料）的輕型框架，未來的太陽(yáng)能電池陣列可能會(huì)安裝在該框架上。航天器上的另一組件包括32種不同的光伏電池樣本，想要看看哪種最高效、最堅(jiān)固。第三部分則包含了一個(gè)微波發(fā)射器，用于證明可以將來自太陽(yáng)能電池的能量發(fā)送到接收器。在首次試驗(yàn)中，接收器將裝在航天器上。但如果它能工作，下一步顯然是要通過微波將電力發(fā)送到地面接收器。

加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)在接近真空的太空中進(jìn)行，而地球上的活動(dòng)則非?；钴S。歐洲航空航天公司空客一直在地面測(cè)試自己的技術(shù)，中國(guó)、日本、韓國(guó)和美國(guó)的政府機(jī)構(gòu)也都部署了小型項(xiàng)目。英國(guó)工程咨詢公司Frazer-Nash在2021年提交給英國(guó)政府的一份報(bào)告中表示：“最近的技術(shù)和概念進(jìn)步讓這一概念變得既可行又具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。”

首先，在太空探索技術(shù)公司和類似火箭實(shí)驗(yàn)室等小型公司的帶領(lǐng)下，發(fā)射硬件進(jìn)入軌道的成本不斷下降。太空探索技術(shù)公司的網(wǎng)站上有一個(gè)簡(jiǎn)化計(jì)算器，該計(jì)算器顯示，如果你想將一顆50公斤的衛(wèi)星送入太陽(yáng)同步軌道，該公司承接的價(jià)格為33.3萬美元；2003年使用歐洲阿麗亞娜5號(hào)火箭進(jìn)行太空發(fā)射的成本則大約比其高40%。

同時(shí)，光伏技術(shù)也有所提高。電子元件越來越好，也越來越便宜。此外還有政治壓力，為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，各國(guó)政府和各大公司都承諾實(shí)現(xiàn)脫碳，承諾用可再生能源來取代化石燃料。

至少在可預(yù)見的未來，大多數(shù)太陽(yáng)能都是基于地面的，這比任何人發(fā)射到太空中的任何東西都便宜，且易于維護(hù)。太空太陽(yáng)能的支持者表示，目前，他們認(rèn)為這種技術(shù)最適合用于滿足特殊需求，例如偏遠(yuǎn)的前哨站、災(zāi)后恢復(fù)地區(qū)，甚至是其他太空飛行器。

不過，哈吉米瑞說，不要低估太空的優(yōu)勢(shì)。太空中未經(jīng)過濾的陽(yáng)光比我們?cè)诘孛嫔峡吹降年?yáng)光要強(qiáng)烈得多，如果能建造一個(gè)足夠輕、可實(shí)用的軌道陣列，它就不會(huì)受黑暗或惡劣天氣的干擾。

過去的設(shè)計(jì)都受到了當(dāng)時(shí)年代技術(shù)的限制。工程師們?cè)O(shè)想了令人難以置信的大型桁架結(jié)構(gòu)來固定太陽(yáng)能板和布線，將電力輸送至中央發(fā)射器。加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)則完全省略了這些部分。一個(gè)陣列將由幾千個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊只有100平方厘米，且都有自己的太陽(yáng)能電池、發(fā)射器和航空電子設(shè)備。這些模塊可松散地連接在一起，甚至可能編隊(duì)飛行。

“我喜歡用的比喻是，它就像一群螞蟻而非一頭大象?！惫兹鹫f。向地面接收器的傳輸可以通過相控陣來實(shí)現(xiàn)，即采用一連串微波信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)來自不同的模塊，它們以同步的相位發(fā)射，形成波束，不需要依靠任何活動(dòng)部件就能夠瞄準(zhǔn)。

“這就是我們正在談?wù)摰膬?nèi)容?！奔又堇砉W(xué)院項(xiàng)目的共同領(lǐng)導(dǎo)者哈里?阿特沃特（Harry Atwater）在規(guī)劃SSPD-1時(shí)說，“一種像薄紗一樣，達(dá)到質(zhì)量密度極限的超輕可部署系統(tǒng)?！?/p>

如果取得成功，也許一大群軌道太陽(yáng)能電站將在未來幾十年里加入世界能源混合體。正如Frazer-Nash在2022年的一份報(bào)告中總結(jié)的那樣，這是“一個(gè)潛在的游戲規(guī)則改變者”。

編輯：黃飛

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