基于太空的太阳能发电技术正在逐步实现

《Communications of the ACM》：Space-Based Solar Power Is on Its Way

　　花了差不多一个世纪的时间，但将太阳的能量收集在外太空并通过光束传输到地球上的接收器以实现全天候发电这一概念——这个想法最早由科幻作家艾萨克·阿西莫夫在1940年提出——正逐渐变为现实，并可能在本世纪初实现。长期以来，由于缺乏相关技术，基于太空的太阳能发电（SBSP）系统的实现一直受到阻碍。然而，得益于一系列成功的地面和轨道上的能量传输测试，以及可重复使用的重型火箭和在轨组装机器人的进步，企业和各国政府都认为SBSP在经济和技术上已经变得可行。目前，有许多不同的太空能量传输项目正在规划中。

例如，位于弗吉尼亚州阿什本的Overview Energy公司在四月底宣布了一项计划，将在2030年的某个时候发射一组SBSP卫星，开始向Meta公司的AI数据中心传输高达1吉瓦的电力。与其他SBSP方法不同，Overview Energy的技术是通过近红外激光进行能量传输，该技术目前正处于专利申请阶段。这种波长选择使得它们能够在夜间向太阳能板供电，从而为Meta这样的公司提供额外的电力供应，因为在日照不足时地面基础设施通常无法提供足够的电力。

Overview Energy还与美国空军达成了协议，将为阿拉斯加和太平洋地区的偏远基地提供太空电力。而英国的Space Solar公司（位于牛津郡哈韦尔）计划从太空向南极的一个孤立科学研究基地传输200千瓦至数兆瓦的电力。Space Solar的联合首席执行官萨姆·阿德伦表示：“我们的初步计划预计这个极地电力项目将在六年内投入使用，随后将为冰岛建设一个30兆瓦的系统，但实际是否能够实现还取决于资金安排。”

随着人工智能工作负载的增加和数据中心在全球范围内的扩张，电力需求正以惊人的速度增长，这威胁到了电力供应。太空太阳能发电卫星可以为数据中心提供“连续、清洁且丰富的能源”，因为地面天线可以建在卫星上，从而直接接收到“低成本、可靠且连续的兆瓦级电力”。

在美国，有许多初创公司专注于SBSP领域。Virtus Solis（位于密歇根州特洛伊）的首席执行官约翰·巴克内尔计划为能源供应商提供一站式服务，包括交付完整的发电厂、逆变器、电网连接以及发射等所有必要设施。Cowboy Space Corp.（位于加利福尼亚州圣卡洛斯）则计划为偏远军事基地、自然灾害后断电的地区以及太空中的数据中心提供按需传输的电力。Mantis Space（位于新墨西哥州阿尔伯克基）的目标是将电力从轨道传输到被地球阴影遮挡的卫星上。

除了这些私营企业外，中国、日本和英国也在研究SBSP技术，计划在2030年代中期及以后发射千米级的卫星，以产生巨量电力，帮助实现2050年的净零碳排放目标。欧盟的27个成员国也在开展可行性研究。

大多数SBSP项目的核心思想是在外太空而不是地球上收集太阳能量。由于昼夜循环、云层、降雨和季节变化的影响，即使地球上规模庞大的商业太阳能电站也只能提供间歇性的电力，而在外太空，只要拥有合适的技术，SBSP系统应该能够持续供电。在大多数SBSP架构中，卫星在地球静止轨道上使用千米长的太阳能电池板全天候收集太阳能，并通过低强度的微波束将其传输到地面5公里宽的天线上，然后转化为电网可用的电力。由于微波波长不会被水吸收，无论天气如何，微波束总能到达地面天线。

使这一过程高效的关键在于将SBSP卫星的太阳能板与半导体微波放大器集成在一起，形成所谓的“三明治”模块，这种设计相比以前的方案损失更小。地面天线在SBSP领域被称为“整流天线”，其作用是通过简单的偶极子天线阵列感应电流来接收微波信号，然后二极管将交流电整流为直流电，进而驱动逆变器产生电网频率的交流电。

在美国，许多初创公司都在致力于SBSP。Virtus Solis的首席执行官约翰·巴克内尔表示：“我们将提供完整的电力解决方案，包括逆变器和电网连接等所有环节。”其他公司也有更具体的SBSP方案。Cowboy Space Corp.计划为偏远军事基地、自然灾害后断电的地区以及太空中的数据中心提供按需传输的电力。Mantis Space则旨在为被地球阴影遮挡的卫星提供电力。

除了这些私营部门的努力外，中国、日本和英国也在研究SBSP技术，计划在未来几十年内发射千米级卫星，以实现发电目标。欧盟也在开展可行性研究。

为什么使用基于太空的太阳能发电？大多数SBSP项目的核心思想是在外太空而不是地球上收集太阳能。由于地球上的昼夜循环、云层、降雨和季节变化的影响，即使最大的商业太阳能电站也只能提供间歇性的电力，而在外太空，只要具备相应的传输技术，SBSP系统就能持续供电。在大多数SBSP设计中，卫星在地球静止轨道上收集太阳能，并通过低强度的微波束将其传输到地面天线，再转化为电网使用的电力。由于微波波长不会被水吸收，因此无论天气如何，微波束总能到达地面天线。

关键技术在于将SBSP卫星的太阳能板与半导体微波放大器集成，使整个系统作为一个高效的“三明治”模块运行。地面天线被称为“整流天线”，其作用是通过简单的偶极子天线阵列接收微波信号，然后二极管将其整流为直流电，再用于驱动逆变器产生交流电。这些天线可以建在太阳能电站或数据中心上方，占用约40%的占地面积，却能产生相同的能源输出。

微波束在5公里范围内的功率密度仅为赤道正午太阳的25%，SBSP的支持者认为这对经过该区域的人员、动物或车辆不会造成危险。

阿西莫夫在1941年的短篇小说中首次提出了SBSP的概念，但并未说明具体实现方法。到了1968年，Arthur D. Little公司的工程科学负责人彼得·格拉泽提出了使用微波束作为SBSP的下行链路。虽然当时技术上还无法实现，但后来技术的进步使得太阳能电池变得更薄、更高效，半导体微波放大器和固态相控阵发射器也得到了发展，使SBSP成为可能。NASA在1975年展示了通过2.4 GHz微波信号传输1.5公里的电力实验，成功向装有砷化镓半导体转换电路的接收器输送了34千瓦的电力。2021年，美国海军研究实验室的研究人员在美国太空部航天器上进行了太阳能电力转换为微波的实验。2023年，加州理工学院的研究团队使用相控阵天线成功进行了微波束生成和导向的实验。

最近，美国Redwire航天公司开发了可自我展开的大型太阳能电池板阵列技术，使得SBSP卫星在轨道上能够自主展开，无需依赖耗电较大的电机。这些技术的发展使得建造千克级卫星成为可能。

SBSP的支持者似乎已经具备了在轨组装和运行这种卫星所需的硬件。在软件方面，自主导航和控制算法将确保卫星持续追踪太阳，保持太阳能板的供电。Overview Energy的系统工程副总裁保罗·贾菲表示：“我们使用一个集装箱大小的地面信标来指示卫星的方向，并通过粗调和精细调谐 loops 精确定位接收器。”他还提到，在美国国防部海军研究实验室的X-37B航天器上进行的SBSP轨道测试表明，虽然要让计算资源在太空中长期保持低成本和抗辐射性能可能具有一定的挑战，但这相对于在轨光伏技术来说相对容易。

Space Solar计划在2030年代初将微波电力传输到南极半岛的罗瑟拉研究站。预计这颗装有20,000层太阳能板的卫星将为基地提供至少200千瓦的电力。如果冰岛项目按计划进行，该公司还将建造更大的卫星，为雷克雅未克能源公司的地面天线输送30兆瓦的电力。由于椭圆轨道的限制，这两颗卫星每天只能在目标区域停留几小时，因此只能提供间歇性电力。Overview Energy还计划将近红外激光传输到常规地面太阳能电站，利用大气中的微小窗口让近红外光束穿透水汽。

Cowboy Space公司也注意到这一点，计划通过近红外激光从低地球轨道向偏远地区的军事基地和灾难区域的地面接收器传输电力。Volta Space Technologies公司则计划将激光光传输到月球轨道上的卫星，帮助那些处于地球阴影中的卫星保持供电。

除了这些私营企业外，中国、日本和英国也在研究SBSP技术，目标是在2030年代中期及以后发射千米级卫星，为实现2050年的净零碳排放目标提供电力支持。欧盟也在开展可行性研究。

SBSP的多年技术演变

阿西莫夫在1941年的短篇小说中首次描述了SBSP的概念，但没有具体说明实现方法。1968年，Arthur D. Little公司的彼得·格拉泽提出了使用微波束作为SBSP的下行链路。虽然当时技术上还无法实现，但后来的技术进步使得太阳能电池、半导体微波放大器、固态相控阵发射器和碳纤维航天器的发展成为可能。NASA在1975年展示了2.4 GHz微波信号的传输实验，成功在1.5公里距离内传输了34千瓦的电力。2021年，美国海军研究实验室的研究人员在航天器上验证了太阳能到微波的转换过程。2023年，加州理工学院的研究团队使用相控阵天线成功进行了微波束生成和定向的实验。

最近，美国Redwire航天公司在自展开大型太阳能电池板阵列方面的进展也使SBSP卫星的建造成为可能，这些电池板利用材料中的储能自行展开。SBSP的支持者认为，他们已经掌握了在轨构建和运行千米级卫星所需的所有硬件。

在软件方面，自主导航和控制算法将确保卫星持续追踪太阳，同时能够安全地定位地面天线并定向能量传输。Overview Energy的保罗·贾菲表示：“我们使用一个集装箱大小的地面信标来指示卫星的方向，并通过粗调和精细调谐循环来精准定位接收器。”他还提到，在美国国防部海军研究实验室的X-37B航天器上进行的SBSP轨道测试表明，虽然实现计算资源和抗辐射性能的挑战存在，但相对于光伏技术而言这些挑战相对较小。

Space Solar计划在2030年代初将微波电力传输到南极半岛的罗瑟拉研究站。该公司计划在2030年代中期发射一颗装有20,000层太阳能板的卫星，为基地提供至少200千瓦的电力。如果冰岛项目成功，他们还将建造更大的卫星，为雷克雅未克能源公司的地面天线输送30兆瓦电力。由于轨道椭圆轨道的原因，这两颗卫星每天只能在目标区域停留几小时，因此只能提供间歇性电力。Overview Energy还计划向地面太阳能电站传输近红外激光光，利用大气中水吸收谱的间隙让特定波长的近红外光束穿透水汽。

Cowboy Space公司也注意到这一点，计划通过近红外激光从低地球轨道卫星向偏远地区的军事基地传输电力。Volta Space Technologies公司则计划在月球轨道上部署SBSP卫星，为月球上的探测器、着陆器和表面科学设备提供电力，帮助它们在月球夜晚保持运行。

阿西莫夫曾提出从太空向地球输送能量的想法，并暗示了将这一技术扩展到月球的可能性。他在1980年的一次采访中提到：“我在1940年就提到了太空站向地球输送能量的想法，虽然当时把目标定在墨丘利轨道上，但实际上月球轨道可能更合适。也许有一天我们真的能做到这一点。”

随着SBSP项目的准备就绪，卫星密集化带来了新的挑战。当前，由于“巨型星座”的出现，地球轨道上的卫星数量不断增加，这对太空飞行造成了压力。SpaceX在过去五年内已经发射了10,000颗Starlink卫星，预计最终需要42,000颗卫星。这使得轨道上的卫星数量从五年前的4,000颗增加到现在的14,000颗。Starlink的成功促使商业和政府竞争对手（如亚马逊、OneWeb和中国政府）也计划部署自己的大型卫星星座。据联合国国际电信联盟估计，到2030年，太空飞行运营商申请的卫星数量可能达到170万颗。欧洲南方天文台的科学家认为这将是不可持续的，并会导致严重的环境后果。

总之，SBSP不仅限于地球，还可能有更多应用场景，例如月球上的能源传输。除了轨道互联网之外，SpaceX等企业以及初创公司Starcloud（位于华盛顿州雷德蒙德）和Orbital Compute（位于加利福尼亚州洛杉矶）目前正在计划通过将数百万个小型的GPU计算集群送入轨道来规避地球上数据中心的能源限制。SpaceX创始人埃隆·马斯克将这些卫星称为“AI卫星”。单个卫星的计算能力虽然有限，但通过激光链接将它们与其他AI卫星连接起来，理论上它们可以共同提供类似数据中心的推理任务性能。SpaceX计划发射100万颗AI卫星，Starcloud计划发射8.8万颗，Orbital Compute计划发射10万颗。然而，如此大量的卫星引发了一系列尚未解决的问题：首先，这些卫星会遮挡天文学家观测天空所需的视野，尤其是对潜在的近地小行星的监测；其次，它们发出的无线电信号可能干扰射电天文学观测；第三，这些卫星在五年后燃料耗尽并重返大气层时会在高层大气中释放氧化铝，目前的研究表明这可能导致地球的臭氧层遭到破坏；第四，卫星重返大气层时产生的碎片可能威胁民用航空安全，因为部分卫星未能完全燃烧，其碎片有可能撞击加压飞机；第五个也是航天工业最担心的问题是“凯斯勒综合症”（Kessler Syndrome）——这种现象可能因大量卫星密集分布在近地轨道（2000公里以下）而发生。这一名称来源于NASA前工程师唐·凯斯勒（Don Kessler），他在1978年预测了当一颗卫星发生故障并与另一颗卫星相撞或因燃料箱爆炸而在轨道上解体时可能产生的连锁反应：大量太空碎片会四处飞散，进一步引发更多碰撞，最终使近地轨道变成一个无法航行的金属碎片场，不仅威胁到商业卫星的运行，还会危及载人飞船和空间站中的宇航员。目前有针对这些问题的研究正在进行中，但能否及时制定相应的法规还有待观察。

——保罗·马克斯（Paul Marks）
保罗·马克斯是一位研究科技、航空和航天领域的记者、作家及编辑，现居英国伦敦。