從太空傳輸太陽能又近一步——《華爾街日報》

在這個無線化的時代，工程師們正試圖完成終極的"剪線"壯舉：在太空中產生豐富的太陽能電力，無需電纜即可將其傳輸到地面。

半個多世紀前，《科學》雜誌上一篇題為“來自太陽的電力”的文章闡述了這一高空無線傳輸的理論基礎。在地球大氣層之上，陽光不會被陰雲遮蔽，也不存在晝夜交替。理論上，收集太陽能的衞星可以全天候運行，將無排放的電力輸送到地球任何需要的地方。但長期以來，這一概念因過於複雜和昂貴而被摒棄。

如今，它終於迎來了實踐檢驗。

1月3日，加州理工學院的一個團隊發射了太空太陽能演示器，這是一套用於測試天基太陽能關鍵組件的軌道實驗裝置。該裝置於2月啓動，並已傳回令人鼓舞的初步結果。“人們開始意識到這不僅僅是科幻小説，“加州理工學院電氣工程師、演示器項目負責人之一阿里·哈吉米里表示，“可能存在一條實現這一目標的路徑。”

加州理工學院電氣工程師、太空太陽能演示器項目負責人之一阿里·哈吉米里站在兩代微波傳輸技術之間：右側是原始的剛性設計，左側是新型輕量柔性版本。其他相關努力也在加速推進。歐洲航天局正在為可能的歐洲空間太陽能網絡起草藍圖。中國空間技術研究院宣佈計劃在2028年前研製出能量傳輸衞星原型。美國軍事實驗室正在測試相關技術，未來或將天基能源傳輸至偏遠基地或戰區。

這些項目面臨的核心挑戰之一，是找到安全、高效、可靠的方式將千兆瓦級能量傳輸至地面，並轉化為可用電力。微波束是首選技術——主要因其能不受天氣影響自由穿越大氣層。雖然與微波爐原理相似，但這些波束的集中度會低得多。歐盟委員會近期研究表明，入射微波束強度微弱且分散，不會危害人體健康。但項目參與者指出，仍需進一步深入研究以獲得公眾認可。

“這本質上與手機無線充電技術相同，“華盛頓特區美國海軍研究實驗室先進項目組負責人克里斯·羅登貝克表示。2021年，羅登貝克團隊在馬里蘭州布洛索姆角陸軍試驗場，將1.6千瓦微波束（類似Wi-Fi信號但頻率更高）成功傳輸至三分之二英里外的接收器。研究人員選擇微波因其可無視天氣影響穿越大氣，但目前尚未實現從軌道進行的等效傳輸。

美國海軍研究實驗室（NRL）一直在太空測試一種麪包大小的無線能量傳輸裝置——光伏射頻天線模塊（PRAM）。該設備曾搭載美國空軍X-37B空天飛機，成功將陽光轉化為微波（但未實際定向傳輸），並於任務結束後於去年返回地球。羅登貝克正在參與後續項目"Arachne”，該項目由俄亥俄州代頓市的空軍研究實驗室主導，旨在解決從軌道向地面基站傳輸能量這一更具挑戰性的任務，計劃於2025年發射。

美國海軍研究實驗室的克里斯·德普馬正在監測光伏射頻天線模塊（PRAM）的性能表現。該設備近期搭載X-37B空天飛機進行了將太陽能高效轉化為微波的實驗。圖片來源：喬納森·斯特芬/美國海軍加州理工學院團隊正嘗試通過同時測試多種可能降低成本的技術來加速這一進程，研究資金來自億萬富豪房地產開發商、爾灣公司董事長兼所有者唐納德·布倫的資助。多年前，他被《大眾科學》雜誌一篇關於太空太陽能收集的文章深深吸引。“我一直夢想着天基太陽能如何能解決人類最緊迫的挑戰，“他表示。過去十年間，他向加州理工學院捐贈逾1億美元，支持創建了"太空太陽能驗證器"項目組，該系列技術測試設備於今年1月搭載商業衞星發射升空。捐贈

加州理工學院演示器的一個關鍵組件是一個名為Maple的原型能量束髮射器，全稱為“低軌道微波能量傳輸陣列實驗”。Hajimiri表示，該設備已能產生微波並將其從衞星的一個部分引導至另一部分，成功驅動了兩個測試LED燈。雖然傳輸距離僅約一英尺，但這是太空能量束傳輸的首次有記錄實證。該裝置還將微波導向地球，被加州理工學院的地面探測器接收。

Maple採用創新的模塊化設計，將太陽能收集器與發射器整合為獨立單元。這種設計有助於解決建造太陽能衞星最棘手的障礙——驚人的尺寸要求。為匹配地球上一座中型發電廠的輸出功率，太陽能衞星至少需要1平方英里的光能收集面積。

加州理工學院太空能量束實驗原型Maple（低軌道微波能量傳輸陣列實驗）加州理工學院團隊並未試圖一次性建造如此龐大的結構，而是設想將許多小型收集-發射器單元連接成可擴展陣列。這些單元將協同工作，無需複雜佈線與笨重的中央天線。“這是範式轉變，“Hajimiri説，“我將其比喻為從一頭大象轉變為螞蟻軍團。”

加州理工學院的另一項實驗提出了一種輕便、簡單的方案來維持整個電力衞星的穩定。領導另一項演示實驗的加州理工學院航空工程師塞爾吉奧·佩萊格里諾，開發出了每平方英尺僅重三分之一盎司的可展開太空結構。一個原型裝置被壓縮在衞星上的緊密圓柱體中，設計為可彈出並形成6英尺×6英尺的穩定方形框架陣列。“這是我們測試該結構和機制的最小規模，“佩萊格里諾説。與Maple項目類似，該設計可擴展至更龐大的尺寸。

“這是一個優雅老化的系統，“佩萊格里諾補充道，“如果出現故障——比如微隕石撞擊等情況——只會造成局部小範圍損傷，而不會導致整體損毀。”

加州理工學院Maple項目近期完成首次太空無線傳能實驗時，機載網絡攝像頭記錄了全過程。右側的發射器生成可控微波束定向傳輸至左側接收器，接收器將微波轉化為電能，點亮兩個LED燈證明了實驗成功。圖片來源：太空太陽能計劃/加州理工學院為將能量傳回地球，加州理工團隊將採用與Blossom Point實驗相同的方法。太陽能衞星將電能轉化為微波信號並傳向接收器——只不過這裏的接收器位於數千英里外的地球。接收器會收集微波並通過電子設備逆向轉換，將微波重新變為電能。大多數其他太陽能衞星概念也採用這種方法。

然而，關於電力傳輸到地面後的具體用途存在諸多競爭性設想。

海軍研究實驗室的羅登貝克着眼於軍事目標，比如向戰區輸送能量，使其無需依賴脆弱的燃料車隊。哈吉米里則設想部署城市街區大小的柔性天線陣列，用於自然災害後的應急供電，或為撒哈拉以南非洲偏遠地區等無電網區域通電。歐洲航天局"太陽神"太空太陽能項目負責人桑傑·維詹德蘭正在規劃雄心勃勃的太陽能衞星羣計劃，這些衞星將直接向歐洲電網供電。“我們期望為緩解氣候變化做出重大貢獻，“他表示。

要實現太空太陽能的普及化，不僅需要大量衞星，還需建設大規模地面天線陣列。羅蘭貝格諮詢公司受"太陽神"項目委託的研究報告指出，傳輸2吉瓦電力需要約25平方英里的接收場地。

維詹德蘭承認必須全面研究所有潛在風險，從健康影響到蓄意破壞。雖然已有大量關於微波安全性的研究，但太空能量傳輸至今未成重點。“人們需要看到各方已盡職調查，最終證明這些技術既無害也無潛在危害，“他強調。

此外還存在用户需為太空太陽能支付多少費用的問題。羅蘭貝格認為這可能成為"具有成本競爭力的可再生能源技術”，但這很大程度上取決於太空發射和電子設備成本的下降。

儘管如此，加州理工學院的佩萊格里諾認為，除了全力投入這項技術的測試外別無選擇。“人類對充足清潔能源有着生存需求，“他表示，“而這可能幫助我們實現目標。”

更正與補充説明太空太陽能演示器於2月啓動。本文早期版本錯誤地表述為5月啓動。（已於6月15日更正）

聯繫郵箱 [email protected]

本文刊登於2023年6月8日印刷版，原標題為’永不熄滅的太陽能？'