天基太阳能开启清洁能源新赛道

来源：科技日报

CASSIOPeiA卫星工作艺术图。图片来源：英国科技新闻网站

随着人类生活电气化程度不断提升，以及大数据与人工智能技术迅猛发展，全球能源需求正以前所未有的速度增长。风能、太阳能等地面可再生能源固然重要，但它们具有间歇性，且需要占用广阔的土地资源。在这样的背景下，天基太阳能（SBSP）或将成为一条通往真正清洁、富足能源未来的新路径。

据世界经济论坛官网近日报道，随着发射成本下降与规模化制造技术的进步，天基太阳能在技术和经济层面已具备可行性，有望成为一种丰富且可持续的新能源。当然，要将这一愿景变为现实，仍需克服一些关键技术障碍，例如进一步降低发射成本、提升向地球传输电力的效率等。

优势多且前景广

风力与太阳能发电受天气、环境等因素影响较大。例如，地面太阳能易受云层遮蔽，因此供应不稳定；而传统核电站会产生放射性废料，带来污染风险。相比之下，太空中的阳光强度高出地面5—10倍，不仅能量充沛，还能提供持续、洁净的电力。

天基太阳能是一套部署于地球轨道的发电系统。它通过太阳能电池板收集能量，再以无线方式传回地面的接收天线。这一构想最早由美国科学家彼得·格拉泽在1968年提出：将大型太阳能卫星部署在距地球约36000公里的静止轨道上，使其全天候沐浴在阳光中。随后，这些持续不断的太阳能被转化为微波，发射至地面接收站。这些微波本身是安全的，其峰值强度约为230W/m2，相当于正午阳光强度的1/4。

早在20世纪70年代，天基太阳能就被认为在技术上可行。直到近十年来，随着发射成本下降与规模化制造技术的突破，它才真正具备了经济可行性。

天基太阳能的优势十分显著：能提供稳定可靠的基载电力——这种持续性过去只能依靠化石能源或核能实现。此外，太空中更高的光照强度，也使天基太阳能板单位面积发电效率远超地面，从而节约大量土地资源。美国国家航空航天局最近的一项研究甚至预测，一种天基太阳能模型能在一年99%的时间内发电。

这种高能量密度也有望大幅降低材料消耗，不仅使其更具可持续性，也有助于缓解资源压力。同时，天基太阳能具备高度灵活的调度能力。每颗卫星可覆盖地球1/4的区域，几乎能实现洲际电力的瞬时传输，犹如太空中一座高效的“能源互联枢纽”。研究表明，天基太阳能有望以极具竞争力的成本，满足人类大部分能源需求。

多国竞相布局

一场围绕可持续能源的“太空竞赛”已经拉开帷幕，世界各国与私营企业正纷纷加大对天基太阳能的投入。

2023年8月，美国加州理工学院的天基太阳能演示原型实现首次太空无线能量传输。该原型通过名为MAPLE的轻型微波发射器，在太空中完成太阳能采集与传输，不仅点亮了一对LED灯，更将能量传回地面——加州理工学院戈登和贝蒂·摩尔工程实验室屋顶的接收器准确捕捉到了这份“天外馈赠”。

中国也在稳步推进千米级阵列建设目标，计划于2028年实现突破。目前，重庆“天基太阳能电站实验基地”与西安“全链路地面演示验证系统”两大平台已启动建设。其中西安系统于2022年6月完成全链路能量转换传输实验，实现55米垂直距离微波输能，发射功率超2千瓦。根据中国科学院发布的技术路线图，中国有望在2030—2050年间建成首套商业化空间太阳能发电系统。

欧洲空间局于2023年1月启动SOLARIS预先研发计划，计划3年内投入6000万欧元攻关太阳能电池、能量转换器、空间机器人等核心技术，为2025年后开展在轨验证铺平道路。

英国也跻身天基太阳能“玩家”行列。据英国科技新闻网站今年4月28日报道，英国的“恒定孔径、固态集成、轨道相控阵列”（CASSIOPeiA）概念已被政府采纳，作为天基太阳能发电厂演示项目的起点。参与该项目的几家公司计划6年内交付商业系统。英国还成立了由90多个工业、学术机构和政府组织组成的太空能源倡议，加速推进天基太阳能发展。

日本将天基太阳能列为重点发展方向，持续开展关键技术验证。2024年12月，日本宇宙航空研究开发机构与航天系统公司成功完成空地长距离微波输能实验：搭载发射器的飞机在7000米高空向地面精准传输微波，部署于地面的13台接收设备均成功捕获能量。

诸多技术亟待攻关

尽管天基太阳能前景广阔，但要实现这一宏伟蓝图，仍需在多个关键技术领域实现突破。

首先便是发射成本难题。虽然全球卫星发射成本持续走低，但欧洲空间局表示，建设国际空间站尚需数十次发射，规模更大的天基太阳能空间站所需发射次数将更为惊人。值得期待的是，可重复使用火箭技术的成熟正显著改善太空经济性，为天基太阳能商业化之路注入强劲动能。

其次，技术挑战同样不容小觑。目前虽已实现数公里距离的无线传能，但要将千兆瓦级电力高效稳定地传回地面，仍面临重大技术瓶颈。与此同时，如何在太空中利用自主机器人精准组装、维护巨型空间结构，也成为亟待攻克的技术难关。