2023年6月，美国加州理工学院的天基太阳能团队宣布，自己发射到宇宙里的SSPD-1卫星，成功演示了微波电力传输技术。在这颗卫星上携带了一个叫做“低轨道电力传输微波阵列实验”(MAPLE)的设备。正是这个小设备，证明了天基太阳能电站并不是科幻，而是可以通过努力实现的天基基础设施。

SSPD-1卫星在轨展开

加州理工的试验

“通过迄今为止进行的实验，我们确认，MAPLE可以成功地将电力传输到太空中的接收器。”天基太阳能项目联合主任阿里·哈基米里博士在一份声明中说，“我们还能够对阵列进行编程，让能量流向地球。我们在加州理工学院曾经做过地面试验。现在我们知道，样机可以适应太空之旅并在太空里运行。

当然，MAPLE还没有实现把电力从宇宙直接传回地球。用来接收微波电力的，是两个独立的接收器阵列。它们到发射机的距离只有一英尺，也就是30.48厘米。所接收到的电功率，可以点亮一对LED灯泡。或许有人会说，一英尺和地球静止轨道相比，真的差了十万八千里。不过它的意义在于，第一次实现了在宇宙空间里用微波传输电力，而不仅仅是遥感信息。

早在SSPD-1卫星发射之前，加州理工的科研人员就在摩尔实验室屋顶上架设了一套试验设备，取得了初步成功。SSPD-1卫星这次试验的意义在于把输电和受电设备真的搬到太空里，暴露在恶劣的太空环境中，经受温度的大幅波动和暴露于太阳辐射的影响，还能正常工作。未来投入业务运行的大型电站，同样需要面对这样的条件。

科研人员在组装卫星

哈基米里博士表示，“据我们所知，还没有人在太空中演示过无线能量传输，即使是昂贵的刚性结构也没做到。而我们用灵活、轻质的结构和自己的集成电路来做到这一点，这是第一次。

哈基米里博士解释说，在太空里通过无线传输能量，与光的干涉现象有关。当两束光波重叠在一起的时候如果相位相同，那么波峰就会叠加，称为建设性干涉。如果相位有差异，没有对准，甚至导致了一束光的波峰对准了另外一束光的波谷，就会相互抵消，称为破坏性干涉。

加州理工的SSPD-1卫星研制人员

如果有多个发射源一起工作，那么人们可以设法把能量引导到一个方向，让建设性干涉只发生在一个方向上，在所有其他方向上都相互抵消。这样，就可以把能量集中在一个很小的区域，甚至比发射阵列的面积还小。

通过精确控制方向，可以把微波能量发射到不同的位置，比如地球上的接收阵、太空里的其他位置。调整时间以纳秒计，而且不需要任何机械部件的运动。向太空里的其他位置发射电力，似乎在此前的天基太阳能发电中很少有人提起，但是需要注意，在阿西莫夫早期的科幻小说中，天基太阳能电站就是为进出大气层的飞船服务，需要电站用多个波束精确跟踪飞船的运动。

科研人员在进行地面试验

从太空向英国发射微波能量的设想

哈基米里博士和团队现在正在评估MAPLE各组成部分的性能，估计耗时6个月。所总结出来的经验教训将用于设计完整版本的工程样机。

SSPD最终将由一组模块化航天器组成，收集阳光，将其转化为电能，然后将其转化为微波，再将其发射到很远的距离，包括传回需要能量的地球。这可能包括目前现有能源基础设施服务不佳的全球地区。

SSPD-1卫星收发试验设施内部

“就像互联网使信息获取大众化一样，我们希望无线能量传输使能源获取大众化，”哈基米里博士总结道。“地面上不需要任何能量传输基础设施来接收这种电力。这意味着我们可从太空向英国发射微波能量的设想以向偏远地区和遭受战争或自然灾害破坏的地区输送能源。”

微波电力接收阵可以设置在郊外

英国人的想法

不但是加州理工，最近不少机构都在讨论，是不是应该立刻动手研究天基太阳能电站。具体的驱动力还不是赚钱，而是气候变化。

根据联合国气候变化专门委员会的数据，到21世纪末，全球温度会上升2.5摄氏度。这比国际气候科学界认为安全的闯值高出1摄氏度。温度上升会带来南北极冰盖融化、海平面上升等一系列问题。虽然有的科学家认为，地球的温度周期就是在起伏变化的，但人类至少可以做些什么来防止这个过程发生得太快。

有科学家认为，为了将变暖限制在该阀值附近，世界经济必须在2030年前把温室气体排放量减少45%，这意味着在很短的时间内逐步淘汰大量消耗化石燃料的技术。比如说，英国至少需要30~40吉瓦的持续新能源发电，才能摆脱所有化石燃料发电这相当于建造30多个新的核电站。

30多个核电站的建造周期和难度是可想而知的，而且还有可能造成新的环境隐患。所以，一批英国企业家和科学家提出，不妨试试空间太阳能发电厂，在未来的无排放基础设施中占有一席之地。甚至有人提出，英国在2035年之前就该建造第一个天基电站。

伊恩·卡什是一位英国工程师，是英国电子工程师和国际电气公司董事。他的轨道太阳能发电厂概念称为CASSIOPeiA(意思是恒定孔径、固态集成、轨道相控阵)。这个概念已被英国政府采纳，作为未来天基太阳能发电厂演示项目的起点。作为这项技术的坚定倡导者，卡什认为，在太空中开发和建造太阳能发电站，比破解核聚变的挑战要少。

当谈到基于太空的太阳能时，卡什在接受采访的时候表示，对于天基电站，“没有什么科学难题需要解决。1970年代以来，人们已经解决了这一切，当时美国宇航局与美国能源部进行了一项非常大规模的研究。实际上:自从人类首次将通信卫星发射到地球静止轨道，已经证明了这背后的物理学。我们有太阳翼面向太阳，有卫星的主体，有抛物面碟形天线或者相控阵天线面向地球。所有的原则都是一样的，把太阳能转化为电能，将其转换为微波并将其发射到地球。唯一不同的是光圈的比例。”

苏格兰斯特拉斯克莱德大学先进空间概念实验室的研究员安德鲁·威尔逊正在领导天基太阳能可行性的研究，他也认为:“我认为没有需要开发的技术，没有什么是真正需要发明的。”

那么在英国人看来，天基太阳能电站有哪些优点和缺点呢?

三大优点

功率大

英国科学家之所以热衷于天基太阳能，不但是因为本国缺少核电站的工业基础，也是天气导致的。英国是个多云多雨的国家，英国绅士们身穿风衣、携带雨伞的形象非常经典。不过这对于光伏发电来说不是什么好现象。如果在英国布置光伏电厂，产生的电力少得可怜。但是要把光伏电站搬到天上去，事情就大不相同了。根据科学家们的计算，在轨道上设置太阳能发电厂，将比英国地面上的同等装置产出多13倍。

英国不是没有尝试过地面光伏电厂。英国最大的太阳能发电厂，威尔士北部的肖特威克太阳能公园，在日照高峰期的产出只有72.2兆瓦。只有在一些阳光最充足的国家，光伏电厂才能达到千兆瓦大关。例如，印度的Bhadla太阳能发电场发电量高达2.7吉瓦，但是它占地达到160平方千米。

在太空中建造太阳能发电厂将需要巨大的投资。然而威尔逊表示，旦建成，天基太阳能发电厂将比地球上的各种可再生能源发电技术，都更快地收回成本。

天基太阳能可以避免地面可再生能源发电技术的很多重大缺点。在太空中总是有阳光的，没有云层阻挡。如果采用巧妙的轨道设计，甚至在夜晚也能发电。地球上的太阳能发电厂在夜间只能停工，海上风电场在无风的时候也不能发电，但天基太阳能发电厂可以24小时提供恒定电力，稳定地为地球电网供电，运营商不必担心停电或突然过载。这是很多可再生能源发电的弊端。可再生能源可以在电力供应过剩的时候给一些巨型电池充电，发电低谷再释放出来。但这种规模的储能技术同样投资巨大，比可控核聚变的实现程度也就是稍微好一点罢了。

从太空向英国发射微波能量的设想

所以在拥护者看来，天基太阳能发电第一步是要取代那些不靠谱的地面可再生能源，取代燃煤或者其他热力发电厂还是下一步。威尔逊说。“大多数其他可再生能源选择无法同时提供如此大的发电量。如果没有天基太阳能发电，我们肯定会寻求建造更多的核电站。

更安全

从理论上讲，天基太阳能发电不受地球上战争和冲突的影响。

在俄乌冲突爆发后，从俄罗斯向德国输送天然气的北溪管道被人炸毁。直到现在，德国也没有胆量公开指控凶手。但这个事件表明，在当今世界上，一个国家依赖国外能源是相当不安全的。

英国在管道事件中的角色并不光彩。但这并不妨碍天基太阳能发电的支持者们表示，自己的方案比依赖俄罗斯天然气供应更安全，也比地球上的传统太阳能发电厂更安全。

威尔逊说，“如果把太阳能电池板放置在撒哈拉沙漠等某些无人居住的地区，可以满足全人类的能源需求。撒哈拉地区并不是世外桃源，这里也会爆发战争，在俄罗斯发生的事情也可能会发生在地面光伏电站上。

还有一些反对者认为，天基太阳能发电厂很容易受到反卫星导弹的攻击。然而，卡什却不同意。他说，击毁地球静止轨道上的物体，超出了大多数国家目前的能力范围。最重要的是，用潜艇以隐蔽的方式破坏海底管道，外界很难抓到证据，但是攻击天基太阳能发电厂是无法秘密进行的。

“攻击核电站、天然气管道或大陆之间的高压电力线电缆更容易，攻击一方很容易否认责任。但在太空中，任何攻击都要先从火箭发射开始，这是无法隐瞒的。”

当然，用来接收天基太阳能电站微波的地面天线也需要巨大的占地面积。不过它们并不影响土地的原本用途。“整流器是一个薄网状结构，允许阳光通过，从远处几乎看不见。我们设想，可以通过电线杆把天线抬高到离地面几米的地方，将下面的土地用于机器人农业甚至传统农业。土地将在微波接收天线的屏蔽下，人类不会受到微波辐射。

可以为飞机提供动力

在空中客车公司的未来规划中天基太阳能可能有助于清理航空业的“碳足迹”。并不是说它会让飞机完全摆脱化石燃料，但可能会对全球飞机排放到地球大气层中的温室气体量产生影响。

“未来，随着我们转向氢和电池供电的飞机，可以使用天基太阳能来提升飞机的效益，将其用于起飞辅助。因为起飞是使用大部分燃料的时刻。天基波束可以在起飞时提供能量，然后在飞机飞行时充电。”

四个缺点

上面说的都是优点，天基太阳能发电厂的缺点也很明显。

建造难

轨道太阳能发电厂必须是巨大的，这不仅仅是为了支撑庞大的光伏电池，而且是为了发射。要将微波聚焦成一个合理大小的波束，可以被合理大小的地面接收阵接收。为了做到这一点，微波发射天线要有1.6千米以上的宽度，这是因为“物理学就是如此”。

相比之下，国际空间站长108米是迄今为止最大的空间结构。所以，怎么才能把天基太阳能电站组合起来是个很大的问题。

国际空间站是迄今最大的空间设备

卡什说，他的CASSIOPeiA概念并不需要部署到静止轨道上，在低地球轨道上部署多个小型电站就可以了。这样所需要的天线尺寸更小，大概只有地球静止轨道所需规模的十分之一。但另一方面，靠近地球的电厂更容易成为反卫星导弹的目标，也可能惹恼天文学家，因为它遮挡夜空太严重了。

在任何情况下，建造一座天基太阳能发电厂都需要数百次火箭发射，还需要发射先进机器人系统，把它们组合起来。如果采用无毒环保火箭情况还好一些。如果采用肼燃料火箭在建造过程中就会带来大量的污染。

卡什还说，组装用的机器人可能是实现天基太阳能电站的最大“绊脚石”。但是，“如果能够证明我们可以使用机器人组装直径12米的小型CASSIOPeiA卫星，就可以逐渐扩展到100米、1千米或2千米的尺寸。”

组装空间太阳能电站需要机器人

转换效率低

空中客车公司最近进行了一次小规模演示，将光伏电池板产生的电力转换为微波，并将其无线传输到36米外的接收站，用来测试转换过程的效率。根据空中客车公司的计算，假设微波从静止轨道出发，几乎不受干扰地穿过地球大气层，在这个过程中仅损失5%的能量。在其他过程中，比如太阳电池发电后转换成微波，然后微波在地球上再次转换成电力，损失就太严重了。

空客公司研究人员表示，“我们在演示中使用的系统，端到端效率约为5%，这是没有可操作性的。即使阳光是免费的，要使太空太阳能发电厂有意义，效率必须至少在20%左右。

会被微陨石损坏

空间太阳能电站是一个有着扁平光伏板的巨大轨道结构，会不断受到微陨石的冲击，不仅有可能在运行过程中遭受重大损坏，而且会产生大量的空间碎片。

比如说，詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜直径6.5米，在其运行初期受到了相当多的微流星冲击。地面控制团队被迫调整观测计划，不再观测流星来袭比较密集的方向。

设计未来天基太阳能发电厂的工程师，必须在构建其结构时考虑到这种持续的微流星体袭击。

韦伯望远镜多次遭到微流星体冲击

科斯特说，“在电厂的生命周期内，必须设计成可以持续维护和维修的方式。它的结构如此之大，所以某些面板必然会存在缺陷。天线的理想设计将是模块化的，可以按需更换。”

不但如此，要用尽可能薄的材料制造面板，这样就不会产生碎片了。卡什说，“如果用某种类型的聚合物材料来制造，那么像微陨石这样的东西就会直接打一个洞而已。”

但是，电厂寿命耗尽，该怎么办?必须更换的故障舱段如何处理?要知道，让一个1.6千米宽的物体留在地球静止轨道上，不是什么好主意。威尔逊设想了一个更复杂的处置程序:当人类拥有天基太阳能发电厂时，可能月球基地已经建立起来了，可以考虑用太空拖船把它拖到月球上，对材料进行回收和重新利用。

可能导致光污染

一些天文学家担心这种巨大的轨道结构对夜空的影响。太空探索技术公司的星链星座一直引起天文学界的强烈反对，因为该公司的第一批卫星在天空中非常耀眼。国际天文学联合会谴责，星链对天文学研究的威胁比城市光污染更严重，大型巡天望远镜扫描大片天空时，尤其受害。

但科斯特认为，地球静止轨道上的电厂几乎不会造成影响。

“从地球上看，它与一颗恒星相似。电厂唯一面向地球的部分是天线，它不会反射光。”

卡什则表示赞同，他说:“天基太阳能发电厂的整个概念是收集和吸收尽可能多的阳光，而不是发光。

虽然加州理工的这次实验取得成功，但是从中也可以看出，天基太阳能距离实用化还有很长的路要走。如果在2035年之前真的建造出一个实用的天基太阳能发电厂，那真可以算神速了。

来源: 中国宇航学会