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研究人员朝着实现一个长期以来的梦想迈出了一小步,但这是必要的一步:在太空中收集太阳能并将其传回地球。6月1日,实验的建设者加州理工学院(Caltech)宣布,1月份发射的一颗卫星已经将微波束的能量引导到太空中的目标上,甚至还将部分能量发送到地球上的探测器上。“以前没有人这样做过,”欧洲航天局(ESA)的太空科学家桑杰·维詹德兰(Sanjay Vijendran)说。“他们通过展示这种能力,为这个话题带来了可信度。”
长期以来,可靠性一直是太空太阳能发电面临的挑战。为了产生与典型的燃煤或核电站一样多的电力,卫星需要一个直径数公里的收集区,需要在轨道上进行数百次发射和组装。美国国家航空航天局在20世纪70年代的能源危机期间计划了一项示范任务。但以当时的技术,由航天飞机携带升空并由宇航员组装,这项任务将耗资1万亿美元。从那以后,很少有人把它当回事。
从那时起,太空发生了变化。太阳能电池和微波光束更便宜,效率更高。能够组装结构的机器人将很快进入轨道,SpaceX等公司已经大幅削减了发射成本。欧洲航天局和英国政府最近委托进行的研究表明,大型轨道发电机很快就能以与地面核电站相当的成本发电。
一些零散的研究项目推动了这一领域的发展。从20世纪80年代开始,京都大学的研究人员利用亚轨道火箭在太空边缘展示了短距离的能量传输。2020年,美国海军研究实验室的一个团队将一个披萨盒大小的“三明治板”送入轨道,一侧是太阳能电池,另一侧是电子设备,另一侧是微波发射器,以演示阳光到微波的转换。
加州理工学院的这项任务由唐纳德·布伦基金会和诺斯罗普·格鲁曼公司资助,旨在进一步开发轻便、廉价和灵活的部件。微波发射器是一个由32个平面天线组成的阵列,排列在比餐盘稍大的表面上。通过改变发送到不同天线的信号的时间,研究人员可以控制阵列的波束。他们把它对准一对微波接收器,大约在前臂的距离,然后随意地将光束从一个接收器切换到另一个接收器,点亮每个接收器上的LED。
发射功率很小,只有200毫瓦,比手机摄像头的光还小。但该团队仍然能够将光束引导到地球上,并用加州理工学院的接收器探测到它。“这是一个概念验证,”加州理工学院电气工程师阿里·哈吉米里说。“它表明了整个系统可以做什么。”
加州理工学院的宇宙飞船还有两个计划中的实验。其中一种正在测试32种不同的太阳能电池,看看哪种能在严酷的太空环境中生存得最好。第二个是一块折叠的超轻复合材料,它将展开成一个2米宽的帆状结构。虽然风帆不会容纳任何太阳能电池,但它的目的是测试未来发电站所需的那种轻薄、灵活和大型部署。
人们对太空太阳能的兴趣似乎越来越大。欧洲航天局今年委托进行了两项关于轨道发电站潜在结构的研究。Vijendran说,能源供应公司也加入了这一努力。京都团队上个月宣布,他们将与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作,在轨道上测试电力传输。
京都电气工程师Naoki Shinohara说,他很高兴听到加州理工学院的成功,“但同时我也很失望,因为我们日本人的目标是在2025年进行世界上第一个(无线电力传输)卫星实验。”
初创公司Virtus Solis Technologies也一直在测试电力传输,并计划在2026年将一个试点工厂发射到轨道上。首席执行官约翰·巴克内尔(John Bucknell)表示,该公司打算在本十年末之前向客户提供商业电力。“太空太阳能是唯一清洁、可靠、可扩展的能源技术,是实现实际零碳排放的可靠途径。”