隨著人類生活電氣化程度不斷提升，以及大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，全球能源需求正以前所未有的速度增長(zhǎng)。風(fēng)能、太陽能等地面可再生能源固然重要，但它們具有間歇性，且需要占用廣闊的土地資源。在這樣的背景下，天基太陽能（SBSP）或?qū)⒊蔀橐粭l通往真正清潔、富足能源未來的新路徑。
據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，隨著發(fā)射成本下降與規(guī)模化制造技術(shù)的進(jìn)步，天基太陽能在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面已具備可行性，有望成為一種豐富且可持續(xù)的新能源。當(dāng)然，要將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仍需克服一些關(guān)鍵技術(shù)障礙，例如進(jìn)一步降低發(fā)射成本、提升向地球傳輸電力的效率等。
優(yōu)勢(shì)多且前景廣
風(fēng)力與太陽能發(fā)電受天氣、環(huán)境等因素影響較大。例如，地面太陽能易受云層遮蔽，因此供應(yīng)不穩(wěn)定；而傳統(tǒng)核電站會(huì)產(chǎn)生放射性廢料，帶來污染風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，太空中的陽光強(qiáng)度高出地面5—10倍，不僅能量充沛，還能提供持續(xù)、潔凈的電力。
天基太陽能是一套部署于地球軌道的發(fā)電系統(tǒng)。它通過太陽能電池板收集能量，再以無線方式傳回地面的接收天線。這一構(gòu)想最早由美國(guó)科學(xué)家彼得·格拉澤在1968年提出：將大型太陽能衛(wèi)星部署在距地球約36000公里的靜止軌道上，使其全天候沐浴在陽光中。隨后，這些持續(xù)不斷的太陽能被轉(zhuǎn)化為微波，發(fā)射至地面接收站。這些微波本身是安全的，其峰值強(qiáng)度約為230W/m2，相當(dāng)于正午陽光強(qiáng)度的1/4。
早在20世紀(jì)70年代，天基太陽能就被認(rèn)為在技術(shù)上可行。直到近十年來，隨著發(fā)射成本下降與規(guī)模化制造技術(shù)的突破，它才真正具備了經(jīng)濟(jì)可行性。
天基太陽能的優(yōu)勢(shì)十分顯著：能提供穩(wěn)定可靠的基載電力——這種持續(xù)性過去只能依靠化石能源或核能實(shí)現(xiàn)。此外，太空中更高的光照強(qiáng)度，也使天基太陽能板單位面積發(fā)電效率遠(yuǎn)超地面，從而節(jié)約大量土地資源。美國(guó)國(guó)家航空航天局最近的一項(xiàng)研究甚至預(yù)測(cè)，一種天基太陽能模型能在一年99%的時(shí)間內(nèi)發(fā)電。
這種高能量密度也有望大幅降低材料消耗，不僅使其更具可持續(xù)性，也有助于緩解資源壓力。同時(shí)，天基太陽能具備高度靈活的調(diào)度能力。每顆衛(wèi)星可覆蓋地球1/4的區(qū)域，幾乎能實(shí)現(xiàn)洲際電力的瞬時(shí)傳輸，猶如太空中一座高效的“能源互聯(lián)樞紐”。研究表明，天基太陽能有望以極具競(jìng)爭(zhēng)力的成本，滿足人類大部分能源需求。
多國(guó)競(jìng)相布局
一場(chǎng)圍繞可持續(xù)能源的“太空競(jìng)賽”已經(jīng)拉開帷幕，世界各國(guó)與私營(yíng)企業(yè)正紛紛加大對(duì)天基太陽能的投入。
2023年8月，美國(guó)加州理工學(xué)院的天基太陽能演示原型實(shí)現(xiàn)首次太空無線能量傳輸。該原型通過名為MAPLE的輕型微波發(fā)射器，在太空中完成太陽能采集與傳輸，不僅點(diǎn)亮了一對(duì)LED燈，更將能量傳回地面——加州理工學(xué)院戈登和貝蒂·摩爾工程實(shí)驗(yàn)室屋頂?shù)慕邮掌鳒?zhǔn)確捕捉到了這份“天外饋贈(zèng)”。
中國(guó)也在穩(wěn)步推進(jìn)千米級(jí)陣列建設(shè)目標(biāo)，計(jì)劃于2028年實(shí)現(xiàn)突破。目前，重慶“天基太陽能電站實(shí)驗(yàn)基地”與西安“全鏈路地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)”兩大平臺(tái)已啟動(dòng)建設(shè)。其中西安系統(tǒng)于2022年6月完成全鏈路能量轉(zhuǎn)換傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)55米垂直距離微波輸能，發(fā)射功率超2千瓦。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院發(fā)布的技術(shù)路線圖，中國(guó)有望在2030—2050年間建成首套商業(yè)化空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
歐洲空間局于2023年1月啟動(dòng)SOLARIS預(yù)先研發(fā)計(jì)劃，計(jì)劃3年內(nèi)投入6000萬歐元攻關(guān)太陽能電池、能量轉(zhuǎn)換器、空間機(jī)器人等核心技術(shù)，為2025年后開展在軌驗(yàn)證鋪平道路。
英國(guó)也躋身天基太陽能“玩家”行列。據(jù)英國(guó)科技新聞網(wǎng)站今年4月28日?qǐng)?bào)道，英國(guó)的“恒定孔徑、固態(tài)集成、軌道相控陣列”（CASSIOPeiA）概念已被政府采納，作為天基太陽能發(fā)電廠演示項(xiàng)目的起點(diǎn)。參與該項(xiàng)目的幾家公司計(jì)劃6年內(nèi)交付商業(yè)系統(tǒng)。英國(guó)還成立了由90多個(gè)工業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府組織組成的太空能源倡議，加速推進(jìn)天基太陽能發(fā)展。
日本將天基太陽能列為重點(diǎn)發(fā)展方向，持續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。2024年12月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)與航天系統(tǒng)公司成功完成空地長(zhǎng)距離微波輸能實(shí)驗(yàn)：搭載發(fā)射器的飛機(jī)在7000米高空向地面精準(zhǔn)傳輸微波，部署于地面的13臺(tái)接收設(shè)備均成功捕獲能量。
諸多技術(shù)亟待攻關(guān)
盡管天基太陽能前景廣闊，但要實(shí)現(xiàn)這一宏偉藍(lán)圖，仍需在多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。
首先便是發(fā)射成本難題。雖然全球衛(wèi)星發(fā)射成本持續(xù)走低，但歐洲空間局表示，建設(shè)國(guó)際空間站尚需數(shù)十次發(fā)射，規(guī)模更大的天基太陽能空間站所需發(fā)射次數(shù)將更為驚人。值得期待的是，可重復(fù)使用火箭技術(shù)的成熟正顯著改善太空經(jīng)濟(jì)性，為天基太陽能商業(yè)化之路注入強(qiáng)勁動(dòng)能。
其次，技術(shù)挑戰(zhàn)同樣不容小覷。目前雖已實(shí)現(xiàn)數(shù)公里距離的無線傳能，但要將千兆瓦級(jí)電力高效穩(wěn)定地傳回地面，仍面臨重大技術(shù)瓶頸。與此同時(shí)，如何在太空中利用自主機(jī)器人精準(zhǔn)組裝、維護(hù)巨型空間結(jié)構(gòu)，也成為亟待攻克的技術(shù)難關(guān)。（科技日?qǐng)?bào)記者 劉 霞）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
晉公網(wǎng)安備 14090202000008號(hào) 
