空間軌道太陽能電池陣列試運行

加州理工學(xué)院衛(wèi)星測試從太空發(fā)送太陽能。

幾乎每次工程師談到在太空中將太陽能發(fā)送到地球，他們都會提醒道，這不可能很快實現(xiàn)。光伏電池的效率太低，軌道電池陣列需要像城市那么大。該計劃如同圖書館的上層書架一樣，距離太空很遙遠(yuǎn)。

不過，情況開始發(fā)生變化了。2023年1月3日，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）獵鷹9號火箭將一顆小型實驗衛(wèi)星****到高度約525公里的極地軌道，在那里，航天器會始終處于陽光之下。它被稱為“太空太陽能示范者一號”（SSPD-1），由加州理工學(xué)院設(shè)計和建造，并得到了加州房地產(chǎn)開發(fā)商唐納德?布倫（Donald Bren）的資助。

“據(jù)我們所知，這將是首次演示如何在太空中實際傳送電力，而且是無線電力傳送?！奔又堇砉W(xué)院電氣工程教授、SSPD-1太空太陽能項目聯(lián)合負(fù)責(zé)人阿里?哈吉米瑞（Ali Hajimiri）說。

如果一切順利，SSPD-1將花至少5個月的時間在太空中測試未來太陽能站的器件原型。項目經(jīng)理希望測試一種名為DOLCE（可在軌道上部署的超輕復(fù)合實驗材料）的輕型框架，未來的太陽能電池陣列可能會安裝在該框架上。航天器上的另一組件包括32種不同的光伏電池樣本，想要看看哪種最高效、最堅固。第三部分則包含了一個微波****，用于證明可以將來自太陽能電池的能量發(fā)送到接收器。在首次試驗中，接收器將裝在航天器上。但如果它能工作，下一步顯然是要通過微波將電力發(fā)送到地面接收器。

加州理工學(xué)院的實驗可能會在接近真空的太空中進(jìn)行，而地球上的活動則非?；钴S。歐洲航空航天公司空客一直在地面測試自己的技術(shù)，中國、日本、韓國和美國的政府機構(gòu)也都部署了小型項目。英國工程咨詢公司Frazer-Nash在2021年提交給英國政府的一份報告中表示：“最近的技術(shù)和概念進(jìn)步讓這一概念變得既可行又具有經(jīng)濟(jì)競爭力?！?/p>

首先，在太空探索技術(shù)公司和類似火箭實驗室等小型公司的帶領(lǐng)下，****硬件進(jìn)入軌道的成本不斷下降。太空探索技術(shù)公司的網(wǎng)站上有一個簡化計算器，該計算器顯示，如果你想將一顆50公斤的衛(wèi)星送入太陽同步軌道，該公司承接的價格為33.3萬美元；2003年使用歐洲阿麗亞娜5號火箭進(jìn)行太空****的成本則大約比其高40%。

同時，光伏技術(shù)也有所提高。電子元件越來越好，也越來越便宜。此外還有政治壓力，為了應(yīng)對全球氣候變化，各國政府和各大公司都承諾實現(xiàn)脫碳，承諾用可再生能源來取代化石燃料。

至少在可預(yù)見的未來，大多數(shù)太陽能都是基于地面的，這比任何人****到太空中的任何東西都便宜，且易于維護(hù)。太空太陽能的支持者表示，目前，他們認(rèn)為這種技術(shù)最適合用于滿足特殊需求，例如偏遠(yuǎn)的前哨站、災(zāi)后恢復(fù)地區(qū)，甚至是其他太空飛行器。

不過，哈吉米瑞說，不要低估太空的優(yōu)勢。太空中未經(jīng)過濾的陽光比我們在地面上看到的陽光要強烈得多，如果能建造一個足夠輕、可實用的軌道陣列，它就不會受黑暗或惡劣天氣的干擾。

過去的設(shè)計都受到了當(dāng)時年代技術(shù)的限制。工程師們設(shè)想了令人難以置信的大型桁架結(jié)構(gòu)來固定太陽能板和布線，將電力輸送至中央****。加州理工學(xué)院的團(tuán)隊則完全省略了這些部分。一個陣列將由幾千個模塊組成，每個模塊只有100平方厘米，且都有自己的太陽能電池、****和航空電子設(shè)備。這些模塊可松散地連接在一起，甚至可能編隊飛行。

“我喜歡用的比喻是，它就像一群螞蟻而非一頭大象?！惫兹鹫f。向地面接收器的傳輸可以通過相控陣來實現(xiàn)，即采用一連串微波信號，其中每個信號來自不同的模塊，它們以同步的相位****，形成波束，不需要依靠任何活動部件就能夠瞄準(zhǔn)。

“這就是我們正在談?wù)摰膬?nèi)容。”加州理工學(xué)院項目的共同領(lǐng)導(dǎo)者哈里?阿特沃特（Harry Atwater）在規(guī)劃SSPD-1時說，“一種像薄紗一樣，達(dá)到質(zhì)量密度極限的超輕可部署系統(tǒng)?！?/p>

如果取得成功，也許一大群軌道太陽能電站將在未來幾十年里加入世界能源混合體。正如Frazer-Nash在2022年的一份報告中總結(jié)的那樣，這是“一個潛在的游戲規(guī)則改變者”。

作者：Ned Potter