把发电站送上太空，就能解决能源和气候问题吗？
本文来自微信公众号：科研圈 （ID：keyanquan），作者：武大可，原文标题：《不是科幻：中美英都要把发电站送上太空，人类能靠天基太阳能解决能源和气候问题吗？》，头图来自：NASA
太阳能发电早已成为全世界能源结构中的重要部分，而在不久的未来，我们或许还会把太阳能发电站建到太空中去。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）本月在第六次气候评估报告中警告，将全球升温控制在 1.5°C 以内的窗口正在关闭，除非全球立刻采取极端措施，气候灾难将难以避免。可再生能源的使用是最重要的措施之一，可虽然近年来全球太阳能的技术和应用都在迅速发展，但与 1.5°C 温控目标的实现之间，仍有相当大的距离。好在，许多国家的政府和科研机构，都将推进太阳能的研发和应用放在了重要位置。
英国在 4 月 8 日最新更新的“净零创新组合”（Net Zero Innovation Portfolio）中就明确规划了多个大型可再生能源项目，其中“天基太阳能”（space-based solar power）发电站格外引人注目——把太阳能发电站建在太空中，更多、更直接地接收太阳辐射，获得远胜地面的发电效益。英国 Frazer-Nash 咨询公司在近日的一份报告中指出，这项耗资 170 亿英镑的工程有望于 2040 年左右在地球同步轨道上建成一个直径 1.7 公里的天基太阳能发电站，搭配一个长 13 公里、宽 6.7 公里的地面接收设施，为英国提供 2 GW（20 亿瓦）的电力。
其实，在太空中建设大型太阳能设施，并非英国首创，许多国家都已经在进行相关的构想甚至探索。美国从 1970 年代起就已开始关注空间太阳能工程的可能性（尽管在当时并不可行），并在最近十多年启动了具体研究，在 2020 年完成了有关的太阳能组件和电力转换系统的测试。中国也正在重庆璧山基本建成了首个空间太阳能电站试验基地，计划到 2035 年完成首个空间太阳能发电站的建设。
这项看起来很像是“未来技术”的工程，从五十多年前就已开始受到学界密切关注，天基太阳能与地面太阳能相比，在理论上有着不小的优势。我国西北地区是全球太阳能资源最密集的地区之一，每平方米太阳能电池板所能提供的发电功率仅为约 0.4 kW，而在约 3.6 万公里高度的地球同步轨道上，这个数字会增加到 10-14 kW，约为前者的 30 倍，且部署在太空中的太阳能电池板能 24 小时几乎不间断地工作，不会受到昼夜差异、阴雨天气的影响。如果能把天基太阳能的成本控制在可接受的范围内，这将有希望成为全球能源供应结构中重要的一部分。
一、成本和可靠性的挑战
不过，要把天基太阳能的成本控制在可接受的范围内，同时保证其可靠性，并非一件易事——从美国花了 40 年才把天基太阳能由空想变为实际研究，以加利福尼亚理工学院（Caltech）为代表的顶尖研究团队又花了十余年才走出理论设计展开具体测试，难度可见一斑。
把太阳能设备送入太空，面临的第一个挑战来自于太阳能电池板的重量。目前在地面上常用的太阳能电池板每平方米普遍重约 5 千克。Frazer-Nash 咨询公司指出，虽然技术优化能够将这一数字大幅降低，但最终建成的太阳能卫星仍将重约 2000 吨。照此计算，即使使用目前最强大的 SpaceX 猎鹰重型（Falcon Heavy）运载火箭（至地球同步轨道的有效载荷约 26.7 吨），也需要大约 75 次发射才能将所有电池板模块运抵轨道。根据近年的价格数据估算，这将带来超过 110 亿美元（85 亿英镑）的发射成本。
设备在地球同步轨道搭建完成后的运行过程，也面临着一些实际挑战——在太空环境中，太阳能电池板会变得十分脆弱。太空垃圾、宇宙碎片会以高速撞击设备，可能会对面板造成不可逆的损坏。即使不会直接影响整个系统的工作，面板的折损速率也是不可忽略的。另外，在没有大气层保护、地球磁场保护也很弱的地球同步轨道，航天器面临着太阳风和高能宇宙射线的不断轰击，这会导致半导体面板的分解速率远远高于地面情形，导致收集到的太阳能降低，设备寿命明显降低。
最后，如何将电力有效地传输到地面也是一个问题。一方面，远距离无线电力传输的效率目前还只能达到 1% 的数量级（不过这也意味着与目前相比，天基太阳能的前景还很广阔）。另一方面，如何规划占地面积巨大，且对气候条件有所要求的接收设施，也是一个需要解决的政策问题（英国计划把首个接收设施建设在海面上）。
二、虽挑战重重，但大有可为
尽管挑战重重，但天基太阳能工程也绝非不可为。
一些国际团队的研究已在近年实现了单位面积重量比过去低一个数量级以上的轻质太阳能面板，可用于空间部署。而相同质量载荷的发射成本也在不断降低。以 SpaceX 可重复使用版本的猎鹰重型火箭为例，可重复使用发射的单次成本仅为一次性火箭的 2/3，这个比例在未来还有希望进一步降低。中国的可重复使用火箭也正在研发之中，首次发射将在 2025 年内进行。可以预见，这些技术在未来十年的进一步发展，将使得太阳能设施的空间部署成本大大降低。同样，电力远距离传输的技术也有望进一步发展，不但电力传输效率有着数量级上的提升空间，收发设施的规模和成本也可通过天线和电路等的改良得到优化。一些研究已经通过使用卡塞格林天线（Cassegrain antenna）等途径，在这些方面取得了可观的进展。
各国把天基太阳能项目提上议程的原因，可能是预见到技术进步将让天基太阳能成为可能。反过来，天基太阳能项目的推进，也将带来长远的技术进步，以及更多的益处。
天基太阳能工程本身的发展趋势来看，未来的发电效益不容小觑——以英国的 2 GW 卫星作为参照，假如研发者能够将传输效率提高至 10%，且能够不间断运行的太阳能系统，功率就将达到 20 GW，全年发电量将达到 1750 亿千瓦时，相当于 1.5 个三峡水利枢纽（根据三峡集团年报，2020年三峡总发电量为 1118 亿千瓦时）。
从项目涉及具体技术的广泛应用来看，远距离大功率输电的研发成果，也能在其他许多领域发挥作用。例如，“远距离无线充电”技术目前只在一些科技公司的概念产品中出现，并且仅限于较低功率，可远距离大功率微波输电技术的研究者们已经开始使用微波无线电力传输系统为无人飞行器、孤岛，甚至卫星供电。除了无线输电以外，天基太阳能涉及的等其他技术，也一样能在许多科学和工业领域大显身手——半导体、光伏、航天器模块在轨组装、可重复使用火箭等技术，正是各个学科和领域的焦点项目。
这样的大型项目对社会的科学影响也将是广泛而长远的。美国自上世纪中期开始围绕顶尖高校院所建立的科学传播体系已经吸引了无数青少年投身 STEM 领域，其中许多如今已经成为各自研发领域的领军者。英国 Frazer-Nash 的报告也指出，天基太阳能工程的推行将在吸引全球学者、促进前沿领域国际合作、激发年轻学生对科学技术的热情、促进科学技术商业应用等诸多方面产生难以定量，但持久广泛的回报，这正是政府应当对其投入资源首要理由。
中国的空间太阳能试验项目同样没有忽视这一点，围绕它的研究项目建设并不是散兵游勇——3 月初步建成的重庆璧山空间太阳能电站实验基地，提供了先进全面的试验设施。除了实验大楼外，百米尺度的微波试验塔、大型能量波束测量天线阵、激光实验台、空间综合环境模拟试验装置、电磁生物学效应实验平台等将为研发工作提供全面保障。项目还与宇航学会一同在璧山建设了科普培训基地，将在将来举办高水平的培训和技术竞赛，激发青少年和公众的科学兴趣。
天基太阳能，本身或许最终可行，也或许不可行；或许能在十年内成为现实，也或许二十年后的技术都仍不足够；或许会成为全球能源结构中的重要部分，也或许只能为整个地球提供电力供应中的一小部分，与聚变发电相比不值一提。但作为一个集航天、能源、半导体等诸多领域于一身的大型项目，促进跨学科研究、吸引国际合作、推动研究成果商业化的能力，一定是国家科技发展的重要“电力”；激发科技热情、传播科学精神、启迪科学智慧的价值，更是这个世界不断变革，战胜过去，走向未来的珍贵“能源”。
参考来源：
https://theconversation.com/a-solar-power-station-in-space-heres-how-it-would-work-and-the-benefits-it-could-bring-179344
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00951-5
https://www.gov.uk/government/collections/net-zero-innovation-portfolio
https://www.spacesolar.caltech.edu/
https://aerospace.org/sites/default/files/2020-10/Vedda-Jones_SolarPower_20201006_0.pdf
http://www.bishan.gov.cn/sy_241/ywdt/202203/t20220323_10541941.html
https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/1020631/space-based-solar-power-derisking-pathway-to-net-zero.pdf
https://www.cnbc.com/2018/02/12/elon-musk-spacex-falcon-heavy-costs-150-million-at-most.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352484720317273
http://www.scio.gov.cn/zfbps/32832/Document/1719689/1719689.htm
https://www.ctg.com.cn/sxjt/xzzx37/jtnb/index.html
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8844657/
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