从太空传输太阳能又近一步——《华尔街日报》

在这个无线化的时代，工程师们正试图完成终极的"剪线"壮举：在太空中产生丰富的太阳能电力，无需电缆即可将其传输到地面。

半个多世纪前，《科学》杂志上一篇题为“来自太阳的电力”的文章阐述了这一高空无线传输的理论基础。在地球大气层之上，阳光不会被阴云遮蔽，也不存在昼夜交替。理论上，收集太阳能的卫星可以全天候运行，将无排放的电力输送到地球任何需要的地方。但长期以来，这一概念因过于复杂和昂贵而被摒弃。

如今，它终于迎来了实践检验。

1月3日，加州理工学院的一个团队发射了太空太阳能演示器，这是一套用于测试天基太阳能关键组件的轨道实验装置。该装置于2月启动，并已传回令人鼓舞的初步结果。“人们开始意识到这不仅仅是科幻小说，“加州理工学院电气工程师、演示器项目负责人之一阿里·哈吉米里表示，“可能存在一条实现这一目标的路径。”

加州理工学院电气工程师、太空太阳能演示器项目负责人之一阿里·哈吉米里站在两代微波传输技术之间：右侧是原始的刚性设计，左侧是新型轻量柔性版本。其他相关努力也在加速推进。欧洲航天局正在为可能的欧洲空间太阳能网络起草蓝图。中国空间技术研究院宣布计划在2028年前研制出能量传输卫星原型。美国军事实验室正在测试相关技术，未来或将天基能源传输至偏远基地或战区。

这些项目面临的核心挑战之一，是找到安全、高效、可靠的方式将千兆瓦级能量传输至地面，并转化为可用电力。微波束是首选技术——主要因其能不受天气影响自由穿越大气层。虽然与微波炉原理相似，但这些波束的集中度会低得多。欧盟委员会近期研究表明，入射微波束强度微弱且分散，不会危害人体健康。但项目参与者指出，仍需进一步深入研究以获得公众认可。

“这本质上与手机无线充电技术相同，“华盛顿特区美国海军研究实验室先进项目组负责人克里斯·罗登贝克表示。2021年，罗登贝克团队在马里兰州布洛索姆角陆军试验场，将1.6千瓦微波束（类似Wi-Fi信号但频率更高）成功传输至三分之二英里外的接收器。研究人员选择微波因其可无视天气影响穿越大气，但目前尚未实现从轨道进行的等效传输。

美国海军研究实验室（NRL）一直在太空测试一种面包大小的无线能量传输装置——光伏射频天线模块（PRAM）。该设备曾搭载美国空军X-37B空天飞机，成功将阳光转化为微波（但未实际定向传输），并于任务结束后于去年返回地球。罗登贝克正在参与后续项目"Arachne”，该项目由俄亥俄州代顿市的空军研究实验室主导，旨在解决从轨道向地面基站传输能量这一更具挑战性的任务，计划于2025年发射。

美国海军研究实验室的克里斯·德普马正在监测光伏射频天线模块（PRAM）的性能表现。该设备近期搭载X-37B空天飞机进行了将太阳能高效转化为微波的实验。图片来源：乔纳森·斯特芬/美国海军加州理工学院团队正尝试通过同时测试多种可能降低成本的技术来加速这一进程，研究资金来自亿万富豪房地产开发商、尔湾公司董事长兼所有者唐纳德·布伦的资助。多年前，他被《大众科学》杂志一篇关于太空太阳能收集的文章深深吸引。“我一直梦想着天基太阳能如何能解决人类最紧迫的挑战，“他表示。过去十年间，他向加州理工学院捐赠逾1亿美元，支持创建了"太空太阳能验证器"项目组，该系列技术测试设备于今年1月搭载商业卫星发射升空。捐赠

加州理工学院演示器的一个关键组件是一个名为Maple的原型能量束发射器，全称为“低轨道微波能量传输阵列实验”。Hajimiri表示，该设备已能产生微波并将其从卫星的一个部分引导至另一部分，成功驱动了两个测试LED灯。虽然传输距离仅约一英尺，但这是太空能量束传输的首次有记录实证。该装置还将微波导向地球，被加州理工学院的地面探测器接收。

Maple采用创新的模块化设计，将太阳能收集器与发射器整合为独立单元。这种设计有助于解决建造太阳能卫星最棘手的障碍——惊人的尺寸要求。为匹配地球上一座中型发电厂的输出功率，太阳能卫星至少需要1平方英里的光能收集面积。

加州理工学院太空能量束实验原型Maple（低轨道微波能量传输阵列实验）加州理工学院团队并未试图一次性建造如此庞大的结构，而是设想将许多小型收集-发射器单元连接成可扩展阵列。这些单元将协同工作，无需复杂布线与笨重的中央天线。“这是范式转变，“Hajimiri说，“我将其比喻为从一头大象转变为蚂蚁军团。”

加州理工学院的另一项实验提出了一种轻便、简单的方案来维持整个电力卫星的稳定。领导另一项演示实验的加州理工学院航空工程师塞尔吉奥·佩莱格里诺，开发出了每平方英尺仅重三分之一盎司的可展开太空结构。一个原型装置被压缩在卫星上的紧密圆柱体中，设计为可弹出并形成6英尺×6英尺的稳定方形框架阵列。“这是我们测试该结构和机制的最小规模，“佩莱格里诺说。与Maple项目类似，该设计可扩展至更庞大的尺寸。

“这是一个优雅老化的系统，“佩莱格里诺补充道，“如果出现故障——比如微陨石撞击等情况——只会造成局部小范围损伤，而不会导致整体损毁。”

加州理工学院Maple项目近期完成首次太空无线传能实验时，机载网络摄像头记录了全过程。右侧的发射器生成可控微波束定向传输至左侧接收器，接收器将微波转化为电能，点亮两个LED灯证明了实验成功。图片来源：太空太阳能计划/加州理工学院为将能量传回地球，加州理工团队将采用与Blossom Point实验相同的方法。太阳能卫星将电能转化为微波信号并传向接收器——只不过这里的接收器位于数千英里外的地球。接收器会收集微波并通过电子设备逆向转换，将微波重新变为电能。大多数其他太阳能卫星概念也采用这种方法。

然而，关于电力传输到地面后的具体用途存在诸多竞争性设想。

海军研究实验室的罗登贝克着眼于军事目标，比如向战区输送能量，使其无需依赖脆弱的燃料车队。哈吉米里则设想部署城市街区大小的柔性天线阵列，用于自然灾害后的应急供电，或为撒哈拉以南非洲偏远地区等无电网区域通电。欧洲航天局"太阳神"太空太阳能项目负责人桑杰·维詹德兰正在规划雄心勃勃的太阳能卫星群计划，这些卫星将直接向欧洲电网供电。“我们期望为缓解气候变化做出重大贡献，“他表示。

要实现太空太阳能的普及化，不仅需要大量卫星，还需建设大规模地面天线阵列。罗兰贝格咨询公司受"太阳神"项目委托的研究报告指出，传输2吉瓦电力需要约25平方英里的接收场地。

维詹德兰承认必须全面研究所有潜在风险，从健康影响到蓄意破坏。虽然已有大量关于微波安全性的研究，但太空能量传输至今未成重点。“人们需要看到各方已尽职调查，最终证明这些技术既无害也无潜在危害，“他强调。

此外还存在用户需为太空太阳能支付多少费用的问题。罗兰贝格认为这可能成为"具有成本竞争力的可再生能源技术”，但这很大程度上取决于太空发射和电子设备成本的下降。

尽管如此，加州理工学院的佩莱格里诺认为，除了全力投入这项技术的测试外别无选择。“人类对充足清洁能源有着生存需求，“他表示，“而这可能帮助我们实现目标。”

更正与补充说明太空太阳能演示器于2月启动。本文早期版本错误地表述为5月启动。（已于6月15日更正）

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本文刊登于2023年6月8日印刷版，原标题为’永不熄灭的太阳能？'