加州理工学院空间轨道太阳能电池阵列试运行

加州理工学院卫星测试从太空无线电力传送

几乎每次工程师谈到在太空中将太阳能发送到地球，他们都会提醒道，这不可能很快实现。光伏电池的效率太低，轨道电池阵列需要像城市那么大。该计划如同图书馆的上层书架一样，距离太空很遥远。

不过，情况开始发生变化了。2023年1月3日，太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰9号火箭将一颗小型实验卫星发射到高度约525公里的极地轨道，在那里，航天器会始终处于阳光之下。它被称为“太空太阳能示范者一号”（SSPD-1），由加州理工学院设计和建造，并得到了加州房地产开发商唐纳德•布伦（Donald Bren）的资助。

该艺术概念图展现了 SSPD-1 围绕着地球运行的情景。SSPD-1 由加州理工学院设计建造，于2023年1月3日发射升空。

“据我们所知，这将是首次演示如何在太空中实际传送电力，而且是无线电力传送。”加州理工学院电气工程教授、SSPD-1太空太阳能项目联合负责人阿里•哈吉米瑞（Ali Hajimiri）说。

如果一切顺利，SSPD-1将花至少5个月的时间在太空中测试未来太阳能站的器件原型。项目经理希望测试一种名为DOLCE（可在轨道上部署的超轻复合实验材料）的轻型框架，未来的太阳能电池阵列可能会安装在该框架上。航天器上的另一组件包括32种不同的光伏电池样本，想要看看哪种最高效、最坚固。第三部分则包含了一个微波发射器，用于证明可以将来自太阳能电池的能量发送到接收器。在首次试验中，接收器将装在航天器上。但如果它能工作，下一步显然是要通过微波将电力发送到地面接收器。

加州理工学院的实验可能会在接近真空的太空中进行，而地球上的活动则非常活跃。欧洲航空航天公司空客一直在地面测试自己的技术，中国、日本、韩国和美国的政府机构也都部署了小型项目。英国工程咨询公司Frazer-Nash在2021年提交给英国政府的一份报告中表示：“最近的技术和概念进步让这一概念变得既可行又具有经济竞争力。”

首先，在太空探索技术公司和类似火箭实验室等小型公司的带领下，发射硬件进入轨道的成本不断下降。太空探索技术公司的网站上有一个简化计算器，该计算器显示，如果你想将一颗50公斤的卫星送入太阳同步轨道，该公司承接的价格为33.3万美元；2003年使用欧洲阿丽亚娜5号火箭进行太空发射的成本则大约比其高40%。

同时，光伏技术也有所提高。电子元件越来越好，也越来越便宜。此外还有政治压力，为了应对全球气候变化，各国政府和各大公司都承诺实现脱碳，承诺用可再生能源来取代化石燃料。

至少在可预见的未来，大多数太阳能都是基于地面的，这比任何人发射到太空中的任何东西都便宜，且易于维护。太空太阳能的支持者表示，目前，他们认为这种技术最适合用于满足特殊需求，例如偏远的前哨站、灾后恢复地区，甚至是其他太空飞行器。

不过，哈吉米瑞说，不要低估太空的优势。太空中未经过滤的阳光比我们在地面上看到的阳光要强烈得多，如果能建造一个足够轻、可实用的轨道阵列，它就不会受黑暗或恶劣天气的干扰。

过去的设计都受到了当时年代技术的限制。工程师们设想了令人难以置信的大型桁架结构来固定太阳能板和布线，将电力输送至中央发射器。加州理工学院的团队则完全省略了这些部分。一个阵列将由几千个模块组成，每个模块只有100平方厘米，且都有自己的太阳能电池、发射器和航空电子设备。这些模块可松散地连接在一起，甚至可能编队飞行。

加州理工学院工程师在用缩放模型练习操作将SSPD-1的一个组件装载到运载火箭上的过程。

“我喜欢用的比喻是，它就像一群蚂蚁而非一头大象。”哈吉米瑞说。向地面接收器的传输可以通过相控阵来实现，即采用一连串微波信号，其中每个信号来自不同的模块，它们以同步的相位发射，形成波束，不需要依靠任何活动部件就能够瞄准。

“这就是我们正在谈论的内容。”加州理工学院项目的共同领导者哈里•阿特沃特（Harry Atwater）在规划SSPD-1时说，“一种像薄纱一样，达到质量密度极限的超轻可部署系统。”

如果取得成功，也许一大群轨道太阳能电站将在未来几十年里加入世界能源混合体。正如Frazer-Nash在2022年的一份报告中总结的那样，这是“一个潜在的游戏规则改变者”。

作者：Ned Potter