加州理工學院衛(wèi)星測試從太空發(fā)送太陽能。

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

不過，情況開始發(fā)生變化了。2023年1月3日，太空探索技術公司（SpaceX）獵鷹9號火箭將一顆小型實驗衛(wèi)星發(fā)射到高度約525公里的極地軌道，在那里，航天器會始終處于陽光之下。它被稱為“太空太陽能示范者一號”（SSPD-1），由加州理工學院設計和建造，并得到了加州房地產開發(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際傳送電力，而且是無線電力傳送?！奔又堇砉W院電氣工程教授、SSPD-1太空太陽能項目聯(lián)合負責人阿里?哈吉米瑞（Ali Hajimiri）說。

如果一切順利，SSPD-1將花至少5個月的時間在太空中測試未來太陽能站的器件原型。項目經理希望測試一種名為DOLCE（可在軌道上部署的超輕復合實驗材料）的輕型框架，未來的太陽能電池陣列可能會安裝在該框架上。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、最堅固。第三部分則包含了一個微波發(fā)射器，用于證明可以將來自太陽能電池的能量發(fā)送到接收器。在首次試驗中，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。

加州理工學院的實驗可能會在接近真空的太空中進行，而地球上的活動則非?；钴S。歐洲航空航天公司空客一直在地面測試自己的技術，中國、日本、韓國和美國的政府機構也都部署了小型項目。英國工程咨詢公司Frazer-Nash在2021年提交給英國政府的一份報告中表示：“最近的技術和概念進步讓這一概念變得既可行又具有經濟競爭力?！?/p>

首先，在太空探索技術公司和類似火箭實驗室等小型公司的帶領下，發(fā)射硬件進入軌道的成本不斷下降。太空探索技術公司的網站上有一個簡化計算器，該計算器顯示，如果你想將一顆50公斤的衛(wèi)星送入太陽同步軌道，該公司承接的價格為33.3萬美元；2003年使用歐洲阿麗亞娜5號火箭進行太空發(fā)射的成本則大約比其高40%。

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

至少在可預見的未來，大多數(shù)太陽能都是基于地面的，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。太空太陽能的支持者表示，目前，他們認為這種技術最適合用于滿足特殊需求，例如偏遠的前哨站、災后恢復地區(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。太空中未經過濾的陽光比我們在地面上看到的陽光要強烈得多，如果能建造一個足夠輕、可實用的軌道陣列，它就不會受黑暗或惡劣天氣的干擾。

過去的設計都受到了當時年代技術的限制。工程師們設想了令人難以置信的大型桁架結構來固定太陽能板和布線，將電力輸送至中央發(fā)射器。加州理工學院的團隊則完全省略了這些部分。一個陣列將由幾千個模塊組成，每個模塊只有100平方厘米，且都有自己的太陽能電池、發(fā)射器和航空電子設備。這些模塊可松散地連接在一起，甚至可能編隊飛行。

“我喜歡用的比喻是，它就像一群螞蟻而非一頭大象。”哈吉米瑞說。向地面接收器的傳輸可以通過相控陣來實現(xiàn)，即采用一連串微波信號，其中每個信號來自不同的模塊，它們以同步的相位發(fā)射，形成波束，不需要依靠任何活動部件就能夠瞄準。

“這就是我們正在談論的內容?！奔又堇砉W院項目的共同領導者哈里?阿特沃特（Harry Atwater）在規(guī)劃SSPD-1時說，“一種像薄紗一樣，達到質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年的一份報告中總結的那樣，這是“一個潛在的游戲規(guī)則改變者”。

編輯：黃飛

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