奋力逐日，能否收获清洁能源？

原文作者：Elizabeth Gibney

100年来，人们一直梦想着把庞大的太阳能电池板阵列送进太空，再把太阳能电输送回地球。地面上的可再生能源有来源时断时续的问题，而空间轨道上的电池板能一直沐浴明亮的阳光，因而有持续供给能源的可能。

如今，相关硬件和太空发射的成本都有所降低，使得这类想法开始显得可行起来。世界各地的团队正在攻关空间太阳能系统的关键元件，其中美国加州理工学院（Caltech）的研究人员建造了一个空间太阳能系统的演示器，于2023年2月开展在轨实验。

欧空局（European Space Agency）正在研究在轨太阳能电池阵列向地球传输可再生能源的可能性。插画中，艺术家展现了这一能源传输过程。｜European SPS Tower concept

“这个系统里并没有什么需要新物理知识的新奇玩意。”“太阳计划”（the Solaris initiative）的共同领导人James Carpenter说。“太阳计划”是欧空局（European Space Agency）开展的一项可行性研究，如果结果理想，空间太阳能技术可能从2025年起进行充分研发。Carpenter在荷兰的欧洲空间研究与技术中心（ESA’s European Space Research and Technology Centre）开展研究，他表示：“从经济性上看，空间太阳能可以与核电等能源媲美。”

只有大规模铺开设施，空间太阳能才可行。科学家的预想是，建造宽数千米的太阳能电池阵列，让它在离地球表面约36000千米的轨道运行。电池阵列收集的能量将转化成微波，发射回地面的接收器；接收器的面积甚至比电池阵列更大。

中国已经宣布，2028年将把一个兆瓦级的空间太阳能演示装置送入近地轨道，2030年再把一个空间太阳能系统送入更遥远的地球同步轨道。Carpenter表示，若资金充足，首个数千兆瓦级的空间太阳能电站或能于2040年前投入使用。上述进展固然令人兴奋，但空间太阳能系统仍面临巨大的技术障碍。

《自然》盘点了把空间太阳能变成现实的过程中，研究人员必须解决的五大难题：

要产出1千兆瓦电力——相当于地球上一个发电站的产能——所需的在轨电池阵列面积超过1平方千米，比国际空间站（International Space Station）大了100多倍，而一个国际空间站的建设就花了整整10年。太阳能电池阵列将在太空中由可量产、可分别发射的模块组装而成。Caltech的实验将把一个紧紧折叠的太阳能电池模块展开成餐桌大小的平板，但全尺寸阵列的模块可达60米长。

还有一些项目采用了不同的设计方案。其中，欧空局的“太阳计划”考虑采用螺旋状结构，而在中国，西安电子科技大学的“逐日工程”正在开发冠状太阳能采集器。两个项目都需利用机器人进行远程在轨组装，而这项新生的技术还不太成熟。

美国航空航天公司（the Aerospace Corporation）的太空经济学家Karen Jones表示，此类系统背后的工程“极其复杂”。Caltech希望把他们成形的弹性电池板送入太空，免去在太空中组合电池板的步骤，并采用算法校正各种影响电力传输的波动，从而规避模块组装问题。英国朴茨茅斯大学（the University of Portsmouth）的化学工程师Jovana Radulovic指出，无论采用何种设计，都需要逐周发射部件，这么大的发射密度是前所未有的。

为了控制发射成本，太阳能电池板需要重量轻、能效高。物理学家David Homfray在英国政府与民间合作的“空间能源计划”（Space Energy Initiative）中担任技术带头人，他指出，每1千克电池板的发电功率应为1-2千瓦。这一电池板重量和发电功率之比的要求，比地球上使用的常规硅电池高了50倍左右。绝大多数设计方案力求采用聚光器、镜面等创新部件，增加太阳能电池板的曝光量。

此外，空间太阳能电池板还需要耐受住强烈的太空辐射。许多太空探测器使用了辐射耐受性强的太阳能光伏材料，然而此类材料过于昂贵，无法用于规模庞大的电池阵列。Radulovic表示，正因为此，研究人员需要了解一些成本更低的替代材料的性能如何。

为此，Caltech的演示器搭载了一个实验，该实验将测试32个轻型光伏电池，其中包括低成本的钙钛电池。该项目的带头人之一Ali Hajimiri表示，“实验的目的是在一定程度上做一个寿命测试。”

Caltech的研究人员建造了一个空间太阳能系统的演示器，于2023年1月发射升空，目前正开展在轨测试。｜Caltech/Space Solar Power Project

这可以说是最大的难题。激光束传输能源效率可观，但可能被云阻挡。为避免这一问题，研究人员希望把太阳能电池阵列产生的电能转化成微波，因为微波可以穿过大气层，而损耗的能量不多。然而，由于微波传输过程中会发生散射，工程师需要精心地让微波发射实现同步，并利用宽数千米的接收站收集微波。

把太阳能转化为电能，再转化成微波，再在地面转化成电能，不可避免地会发生损耗。“没人会认真考虑采用空间太阳能的，除非损耗能大幅减少。”Radulovic说。欧空局估计，空间电池阵列接收到的太阳能，只要有10%-15%能输送到电网中，空间太阳能系统在经济上就是可行的。但是，欧空局指出，要实现10%-15%的转化率，还需要多项能源转化技术取得大幅进展。

2022年，西安电子科技大学的研究人员在地球上进行了一个小规模实验，利用微波将太阳能传输了55米。项目只采用了常规的硅电池，能源转化率约为2.4%。项目成员李勋表示，此次实验是首次在单个系统里完整演示微波传输能源的全部步骤。据Hajimiri介绍，Caltech的演示器将首次在太空中进行微波传输和接收能源的实验，不过传输距离仅为30厘米。

多个航天机构和国家认为，空间太阳能或将有助于在2050年前实现碳中和目标。但是，Jones指出，“我们必须证明，空间太阳能对地球总的作用是正面的。”

空间太阳能当然远远比地面上的太阳能昂贵，但Carpenter指出，其成本是能与核电、采用碳捕捉技术的天然气等其它持续生产的低碳能源一较高下的——哪怕存储地面可再生能源有一些更加经济的方法，让空间太阳能电池阵列的经济性有所减弱。

与此同时，据英国斯特拉斯克莱德大学（the University of Strathclyde）的研究人员计算，一个空间太阳能电站的产出抵消其开发、建造、装配过程中排放的温室气体，仅需不到6年时间。“空间太阳能显得实在是很有竞争力。”Homfray说。不过，鉴于空间太阳能系统的设计和部署方式尚不确定，Radulovic对此类估算的可信度仍有疑问。

出人意料的是，用微波从太空传输能源很安全。微波频率将经过挑选，以免扰乱航空通讯。不仅如此，Carpenter还介绍道，因为微波的能量散布范围很广，地面接收站收到的平均能量密度仅为每平方米50瓦特，与微波炉泄露的无害微波相当。“可以认为，这个水平的人体微波辐射暴露，在正常的建议安全范围内。”Carpenter说。

但是，研究人员尚需证明人类、动物及更广泛的环境不会遭受负面影响。“我认为研究人员需要向同样遭遇过此类担忧的移动无线业界学习，不要轻视这些担忧，而要用研究证明安全性。”Jones说。  

原文以Could solar panels in space supply Earth with clean energy?标题发表在2023年2月2日《自然》的NEWS EXPLAINER版块

© nature

doi: 10.1038/d41586-023-00279-8

点击阅读原文查看英文原文