天基太阳能(SBSP)的想法——利用卫星收集太阳的能量并将其“传送”到地球上的收集点——至少自20世纪60年代末以来就已经存在。尽管潜力巨大，但由于成本和技术障碍，这一概念尚未获得足够的关注。

其中一些问题现在可以解决吗?如果是这样，SBSP可能成为世界从化石燃料向绿色能源转型的重要组成部分。

(资料图片)

我们已经从太阳中获取能量。它是通过我们通常所说的太阳能直接收集的。这包括不同的技术，例如光伏(PV)和太阳能热能。太阳能也是间接收集的：风能就是一个例子，因为微风是由太阳对大气的不均匀加热产生的。

但这些绿色发电形式也有局限性。它们在陆地上占据大量空间，并且受到光和风的限制。例如，太阳能发电场不会在夜间收集能量，并且在冬季和阴天收集的能量较少。

轨道上的光伏发电不会受到夜晚来临的限制。地球静止轨道(GEO)(距地球上方约36,000公里的圆形轨道)上的卫星全年99%以上的时间都暴露在阳光下。这使其能够24/7生产绿色能源。

GEO非常适合需要从航天器将能量发送到能量收集器或地面站的情况，因为这里的卫星相对于地球是静止的。据认为，到2050年，GEO提供的太阳能量将比人类预计的全球电力需求多100倍。

将太空中收集的能量传输到地面需要无线电力传输。使用微波可以最大限度地减少大气中的能量损失，即使是在多云的天空中也是如此。卫星发送的微波束将聚焦到地面站，地面站的天线将电磁波转换回电能。地面站的直径需要达到5公里，在高纬度地区则需要更大。然而，这仍然小于使用太阳能或风能产生相同电量所需的土地面积。

在SBSP中，能量被多次转换(光到电到微波再到电)，其中一些以热量的形式损失掉。为了向电网注入2吉瓦(GW)的电力，卫星需要收集约10吉瓦的电力。

最近的一个名为CASSIOPeiA的概念由两个2公里宽的可操纵反射器组成。它们将阳光反射到太阳能电池板阵列中。这些电力发射器直径约1,700米，可指向地面站。据估计，这颗卫星的质量可达200​​0吨。

另一种架构SPS-ALPHA与CASSIOPeiA的不同之处在于，太阳能集热器是一个由大量称为定日镜的小型模块化反射器组成的大型结构，每个反射器都可以独立移动。它们被大量生产以降低成本。

2023年，加州理工学院的科学家发射了MAPLE，这是一项小型卫星实验，将微量的能量传回加州理工学院。MAPLE证明该技术可用于向地球输送电力。

国家和国际利益

SBSP可以在实现英国2050年净零排放目标方面发挥至关重要的作用，但政府当前的战略并不包括这一点。一项独立研究发现，到2050年，SBSP发电量可达10GW，相当于英国当前需求的四分之一。SBSP提供安全稳定的能源供应。

它还将创造一个价值数十亿英镑的产业，为全国创造143,000个就业岗位。欧洲航天局目前正在评估SBSP及其SOLARIS计划的可行性。随后可能会在2025年之前制定该技术的完整开发计划。

其他国家最近宣布打算在2025年之前向地球传输电力，并在未来二十年内转向更大的系统。

一颗巨大的卫星

如果技术已经成熟，为什么不使用SBSP?主要限制是需要发射到太空的巨大质量以及每公斤的成本。SpaceX和BlueOrigin等公司正在开发重型运载火箭，重点是在这些运载火箭升空后重复利用其部件。这可以使企业成本降低90%。

即使使用SpaceX的Starship运载工具(可以将150吨货物发射到近地轨道)，SBSP卫星也需要数百次发射。一些组件，例如长结构桁架(设计用于跨越长距离的结构元件)可以在太空中进行3D打印。

挑战和风险

SBSP任务将具有挑战性，并且仍需要充分评估风险。虽然产生的电力是完全绿色的，但数百次重型发射造成的污染影响难以预测。

此外，控制太空中如此大的结构将需要大量燃料，这需要工程师有时使用剧毒化学品。光伏太阳能电池板将受到退化的影响，随着时间的推移，效率每年降低1%至10%。然而，维修和加油可以用来几乎无限期地延长卫星的使用寿命。

强大到足以到达地面的微波束也可能会伤害任何挡道的东西。为了安全起见，必须限制光束的功率密度。

在太空中建造这样的平台的挑战似乎令人畏惧，但太空太阳能在技术上是可行的。为了在经济上可行，它需要大规模的工程，因此需要政府和航天机构的长期和果断的承诺。

但随着这一切到位，SBSP可以为到2050年利用可持续的清洁太空能源实现净零排放做出根本性贡献。

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