如何在太空中建造太阳能发电场？相关工作已进行十多年

北京事件 8 月 13 日消息，1941 年，著名科幻作家艾萨克・阿西莫夫发表了短篇小说《推理》（Reason）。这是一个关于机器人和人工智能的警示故事，其奇特的背景设定至今仍被人津津乐道，那就是一个能收集太阳能，并通过微波向行星传递能量的空间站。在这篇作品之后，基于太空的太阳能利用就成为一个长盛不衰的新奇想法。如果人类能够掌握这项技术并筹集资金将之实现，人类世界就有可能因此改变。

▲ 美国国家航空航天局的一位艺术家在 1999 年绘制的轨道太阳能发电场。像许多其他太空太阳能设计一样，该设施需要许多连接部件，这意味着发射成本将非常高昂

唐纳德・布伦是美国最富有的房地产开发商之一，也阅读了一些关于太阳能的书，他有能力为这一项目提供资金上的帮助。加州理工学院已经于近日宣布，自 2013 年以来，唐纳德・布伦和他的妻子布丽吉特已经向该校捐赠了 1 亿多美元，助力轨道光伏发电的实现。

这项宏伟的工程将需要一大笔钱，而且更重要的是，相关的工作已经进行了十多年。加州理工学院的一个团队计划在 2022 年底或 2023 年首次发射一个测试阵列。

“这是一件相当大胆的事情，”加州理工学院太空太阳能项目的联合主管、电气工程学教授阿里・哈吉米瑞说道。他认为，较长的时间线“能让你抓住机会，承担风险。有时这些机会会带来回报，有时不会，但当你以一种受训练的、有控制的方式去行动时，你最终会得到意想不到的结果。”

现年 89 岁的唐纳德・布伦的大部分财富（估计在 153 亿到 161 亿美元之间）都用于在加利福尼亚州奥兰治县建造办公楼和住宅。他是纽约市标志性的大都会保险公司大楼的大股东，还为环境保护捐赠了土地和资金。他很少接受采访，尽管加州理工学院的太空太阳能项目已经公开，但布伦对该项目的支持直到现在都是一个秘密。

高地球轨道是建造太阳能发电场的好地方，因为这里太阳永远不会落下，永远不会有遮蔽的云层。然而，为了产生大量的电力，以往的大多数设计都是不切实际的，不仅规模庞大，而且成本高昂，是当前人类社会负担不起的。在工程师们的描绘中，有巨大的桁架结构，通常长达数公里；光伏板或镜子安装在桁架上，吸收或集中阳光，将光能转化成直流电，然后通过激光或微波光束传输到地面。建造这样一个装置可能需要数百次火箭发射。在很多人看来，这注定是一项因为规模太大而无法成功的技术。

“真正需要做的是技术上的范式转换，”该项目的负责人、加州理工学院应用物理和材料科学教授哈里・阿特沃特说，“我们谈论的不是每平方米 1 公斤的重量，而是今天就可以制造的、每平方米只有 100 到 200 克的系统。我们有一个路线图，希望能将这个范围降至每平方米 10 到 20 克。”

那么，这个路线图如何实现？当然不可能一蹴而就，但我们可以改变思路，或许最大的改变就是制造模块化的太阳能电池板。轻质的砷化镓光电池将被连接到“瓦片”—— 由加州理工学院设计的太阳能板基本单元 —— 每块“瓦片”可能只有 100 平方厘米大小，相当于一个甜点盘。

关键在于，每块“瓦片”本身就是一个微型太阳能发电站，配有光伏装置、微型电子元件和微波发射器。所有“瓦片”将连接在一起，形成更大的“模块”，面积或许能达到 60 平方米。数千个模块将形成一个六边形发电站，每条边 3 公里长。这些模块之间甚至没有物理连接，没有沉重的支撑梁和捆绑的电缆，质量也更少。

“你可以把它想象成一群鱼，”阿特沃特说，“就像一大群相同的独立元素在编队飞行。”接下来，向地面接收器的能量传输将通过同步的相控阵微波信号来实现，这样它们就可以在没有移动部件的情况下进行瞄准。阿特沃特表示，这种传输本质上是安全的，因为微波能量不是电离辐射，其能量密度将“等于阳光中的功率密度”。

实现太空太阳能发电可能还需要几年的时间。美国航空航天公司空间政策和战略中心的分析师警告称，这“不会是一个快速、简单或全面的解决方案”。从互联网卫星到美国国家航空航天局重返月球和登陆火星的计划，太空发射的成本正逐步下降，而新的航天器也不断升空。美国航空航天公司的分析师表示，地面电网可能不是太阳能卫星的第一批用户，对此更有需求的将是其他太空飞行器，毕竟从环绕轨道的太阳能发电场接收微波束将比拥有自己的太阳能电池板更加实用。

“是否会增加大量额外的工作？是的，”哈吉米瑞说，“但其中一些以往曾作为主要看点的工作，我们正一步步地加以解决。”这一切都让加州理工学院的工程师们兴奋不已。“对我们来说，愿意冒险是很重要的，”哈吉米瑞补充道，“我们在朝着具有挑战性的问题前进，如果成功的话，我们的生活将大卫改善。”

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