天基太陽能，或許能成為未來全球能源結構的重要部分，影響還遠不止于此。

太陽能發電早已成為全世界能源結構中的重要部分，而在不久的未來，我們或許還會把太陽能發電站建到太空中去。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）本月在第六次氣候評估報告中警告，將全球升溫控制在 1.5°C 以內的窗口正在關閉，除非全球立刻采取極端措施，氣候災難將難以避免。可再生能源的使用是最重要的措施之一，可雖然近年來全球太陽能的技術和應用都在迅速發展，但與 1.5°C 溫控目標的實現之間，仍有相當大的距離。好在，許多國家的政府和科研機構，都將推進太陽能的研發和應用放在了重要位置。

英國在 4 月 8 日最新更新的“凈零創新組合”（Net Zero Innovation Portfolio）中就明確規劃了多個大型可再生能源項目，其中“天基太陽能”（space-based solar power）發電站格外引人注目——把太陽能發電站建在太空中，更多、更直接地接收太陽輻射，獲得遠勝地面的發電效益。英國 Frazer-Nash 咨詢公司在近日的一份報告中指出，這項耗資 170 億英鎊的工程有望于 2040 年左右在地球同步軌道上建成一個直徑 1.7 公里的天基太陽能發電站，搭配一個長 13 公里、寬 6.7 公里的地面接收設施，為英國提供2 GW（20 億瓦）的電力。

其實，在太空中建設大型太陽能設施，并非英國首創，許多國家都已經在進行相關的構想甚至探索。美國從 1970 年代起就已開始關注空間太陽能工程的可能性（盡管在當時并不可行），并在最近十多年啟動了具體研究，在 2020 年完成了有關的太陽能組件和電力轉換系統的測試。中國也正在重慶璧山基本建成了首個空間太陽能電站試驗基地，計劃到 2035 年完成首個空間太陽能發電站的建設。

這項看起來很像是“未來技術”的工程，從五十多年前就已開始受到學界密切關注，天基太陽能與地面太陽能相比，在理論上有著不小的優勢。我國西北地區是全球太陽能資源最密集的地區之一，每平方米太陽能電池板所能提供的發電功率僅為約 0.4 kW，而在約 3.6 萬公里高度的地球同步軌道上，這個數字會增加到 10-14 kW，約為前者的 30 倍，且部署在太空中的太陽能電池板能 24 小時幾乎不間斷地工作，不會受到晝夜差異、陰雨天氣的影響。如果能把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內，這將有希望成為全球能源供應結構中重要的一部分。

成本和可靠性的挑戰

不過，要把天基太陽能的成本控制在可接受的范圍內，同時保證其可靠性，并非一件易事——從美國花了 40 年才把天基太陽能由空想變為實際研究，以加利福尼亞理工學院（Caltech）為代表的頂尖研究團隊又花了十余年才走出理論設計展開具體測試，難度可見一斑。

把太陽能設備送入太空，面臨的第一個挑戰來自于太陽能電池板的重量。目前在地面上常用的太陽能電池板每平方米普遍重約 5 千克。Frazer-Nash 咨詢公司指出，雖然技術優化能夠將這一數字大幅降低，但最終建成的太陽能衛星仍將重約 2000 噸。照此計算，即使使用目前最強大的 SpaceX 獵鷹重型（Falcon Heavy）運載火箭（至地球同步軌道的有效載荷約 26.7 噸），也需要大約 75 次發射才能將所有電池板模塊運抵軌道。根據近年的價格數據估算，這將帶來超過 110 億美元（85 億英鎊）的發射成本。

設備在地球同步軌道搭建完成后的運行過程，也面臨著一些實際挑戰——在太空環境中，太陽能電池板會變得十分脆弱。太空垃圾、宇宙碎片會以高速撞擊設備，可能會對面板造成不可逆的損壞。即使不會直接影響整個系統的工作，面板的折損速率也是不可忽略的。另外，在沒有大氣層保護、地球磁場保護也很弱的地球同步軌道，航天器面臨著太陽風和高能宇宙射線的不斷轟擊，這會導致半導體面板的分解速率遠遠高于地面情形，導致收集到的太陽能降低，設備壽命明顯降低。

最后，如何將電力有效地傳輸到地面也是一個問題。一方面，遠距離無線電力傳輸的效率目前還只能達到 1% 的數量級（不過這也意味著與目前相比，天基太陽能的前景還很廣闊）。另一方面，如何規劃占地面積巨大，且對氣候條件有所要求的接收設施，也是一個需要解決的政策問題（英國計劃把首個接收設施建設在海面上）。

雖挑戰重重，但大有可為

盡管挑戰重重，但天基太陽能工程也絕非不可為。

一些國際團隊的研究已在近年實現了單位面積重量比過去低一個數量級以上的輕質太陽能面板，可用于空間部署。而相同質量載荷的發射成本也在不斷降低。以 SpaceX 可重復使用版本的獵鷹重型火箭為例，可重復使用發射的單次成本僅為一次性火箭的 2/3，這個比例在未來還有希望進一步降低。中國的可重復使用火箭也正在研發之中，首次發射將在 2025 年內進行。可以預見，這些技術在未來十年的進一步發展，將使得太陽能設施的空間部署成本大大降低。同樣，電力遠距離傳輸的技術也有望進一步發展，不但電力傳輸效率有著數量級上的提升空間，收發設施的規模和成本也可通過天線和電路等的改良得到優化。一些研究已經通過使用卡塞格林天線（Cassegrain antenna）等途徑，在這些方面取得了可觀的進展。

各國把天基太陽能項目提上議程的原因，可能是預見到技術進步將讓天基太陽能成為可能。反過來，天基太陽能項目的推進，也將帶來長遠的技術進步，以及更多的益處。

天基太陽能工程本身的發展趨勢來看，未來的發電效益不容小覷——以英國的 2 GW 衛星作為參照，假如研發者能夠將傳輸效率提高至 10%，且能夠不間斷運行的太陽能系統，功率就將達到 20 GW，全年發電量將達到 1750 億千瓦時，相當于 1.5 個三峽水利樞紐（根據三峽集團年報，2020年三峽總發電量為 1118 億千瓦時）。

從項目涉及具體技術的廣泛應用來看，遠距離大功率輸電的研發成果，也能在其他許多領域發揮作用。例如，“遠距離無線充電”技術目前只在一些科技公司的概念產品中出現，并且僅限于較低功率，可遠距離大功率微波輸電技術的研究者們已經開始使用微波無線電力傳輸系統為無人飛行器、孤島，甚至衛星供電。除了無線輸電以外，天基太陽能涉及的等其他技術，也一樣能在許多科學和工業領域大顯身手——半導體、光伏、航天器模塊在軌組裝、可重復使用火箭等技術，正是各個學科和領域的焦點項目。

這樣的大型項目對社會的科學影響也將是廣泛而長遠的。美國自上世紀中期開始圍繞頂尖高校院所建立的科學傳播體系已經吸引了無數青少年投身 STEM 領域，其中許多如今已經成為各自研發領域的領軍者。英國 Frazer-Nash 的報告也指出，天基太陽能工程的推行將在吸引全球學者、促進前沿領域國際合作、激發年輕學生對科學技術的熱情、促進科學技術商業應用等諸多方面產生難以定量，但持久廣泛的回報，這正是政府應當對其投入資源首要理由。

中國的空間太陽能試驗項目同樣沒有忽視這一點，圍繞它的研究項目建設并不是散兵游勇——3 月初步建成的重慶璧山空間太陽能電站實驗基地，提供了先進全面的試驗設施。除了實驗大樓外，百米尺度的微波試驗塔、大型能量波束測量天線陣、激光實驗臺、空間綜合環境模擬試驗裝置、電磁生物學效應實驗平臺等將為研發工作提供全面保障。項目還與宇航學會一同在璧山建設了科普培訓基地，將在將來舉辦高水平的培訓和技術競賽，激發青少年和公眾的科學興趣。

天基太陽能，本身或許最終可行，也或許不可行；或許能在十年內成為現實，也或許二十年后的技術都仍不足夠；或許會成為全球能源結構中的重要部分，也或許只能為整個地球提供電力供應中的一小部分，與聚變發電相比不值一提。但作為一個集航天、能源、半導體等諸多領域于一身的大型項目，促進跨學科研究、吸引國際合作、推動研究成果商業化的能力，一定是國家科技發展的重要“電力”；激發科技熱情、傳播科學精神、啟迪科學智慧的價值，更是這個世界不斷變革，戰勝過去，走向未來的珍貴“能源”。

作者：武大可 來源：騰訊網 責任編輯：jianping