英开发太空发电站，抢占下一个科技制高点？

近日，据国外媒体报道，英国政府将资助430万英镑探索天基太阳能，以期提供更清洁廉价的能源，提高英国能源安全水平。而该消息也使得空间太阳能发电平台再次成为焦点。它是如何向地球传送能源的？还有哪些国家正在进行类似的项目？

太空中的发电站

空间太阳能发电平台是指在空间中将太阳能转化为电能，再通过无线方式传输到地面的电力系统。相对于目前空间应用的卫星和空间站等的电源系统，其规模和能力要大得多。

空间太阳能电站主要包括三大部分：太阳能发电装置、能量转换和发射装置以及地面接收和转换装置。太阳能发电装置将太阳能转化成电能；能量转换装置将电能转化成微波或激光等形式，并利用天线向地面发送能束；地面接收系统接收空间发射来的能束，再通过转换装置将其转化成电能。整个过程经历了太阳能-电能-微波（激光）-电能的能量转变。

建造空间太阳能发电平台的构想由美国科学家彼得·格拉赛于1968年提出。此概念提出以后，引起了国际上的广泛关注，以美国、日本为代表的多个国家对空间太阳能发电平台开展了长期的研究工作。

1999～2001 年，美国宇航局投资2200万美元，启动了“空间太阳能探索性研究和技术计划”项目，总结分析了空间太阳能电站的最新进展，提出了美国空间太阳能电站的发展路线图。2015年诺斯罗普·格鲁曼公司投入1750万美元，委托加州理工学院开展空间太阳能电站相关技术研究。

日本从20世纪80年代就开始进行空间太阳能发电平台概念和关键技术研究，日本宇宙航空研究开发机构组织了专门的委员会和工作团队，开展空间太阳能电站系统研究，分为3个主题：空间太阳能发电平台概念、体系结构研究和技术验证。

目前日本已经提出在2030年实现1吉瓦商业系统运行的技术路线图。第一步是开展几十千瓦的小型系统验证，验证微波和激光的无线能量传输技术，将卫星发射到近地轨道或者月球轨道，尝试将激光输送到月球表面。第二步是在国际空间站周围进行10兆瓦级的大型可展开结构机器人组装技术验证。第三步是在地球静止轨道上建造空间太阳能发电系统的验证系统，最终在地球静止轨道上建一个吉瓦级的商业空间太阳能发电系统。

与此同时，中国也已经开展了空间太阳能发电平台的相关具体研究工作，在今年4月23日召开的中国航天大会空间太阳能电站专业论坛上，相关部门表示，我国着眼于空间太阳能电站的发展远景，长远目标是计划建成吉瓦级的可商业化运行空间太阳能电站。

英国的太空发电构想

英国同样不甘落后。由英国政府2021年委托进行的一项独立研究显示，到2050年天基太阳能每年可产生10吉瓦电力，占英国电力需求的四分之一。此次英国能源安全大臣格兰特·沙普斯在伦敦科技周的演讲中确认了一系列关于天基太阳能资助项目，表示天基太阳能技术对提高英国能源安全具有巨大潜力，通过赢得这场新的太空竞赛，可以改变国家供电方式，为后代提供更便宜、清洁、安全的能源。

430万英镑中，英国能源安全和净零部提供330万英镑，英国航天局提供100万英镑，8个技术和研究项目共享这笔资金。资助对象包括剑桥大学和伦敦玛丽女王大学，其中剑桥大学负责开发能够在太空中承受高辐射水平的超轻型太阳能电池板；伦敦玛丽女王大学负责开发无线系统，以将太空中获得的太阳能安全传送到地球。

其他获得资助的项目包括：位于英国迪德科特的卫星应用弹射器有限公司测试其空间卫星天线技术的电子转向和波束质量；位于英国塔尔伯特港的微链接设备英国有限公司开发下一代轻型柔性太阳能电池板；布里斯托尔大学模拟太阳能空间无线电功率传输能力，为天基太阳能的性能、安全性和可靠性提供进一步的证据。伦敦帝国理工学院等也将获得资金，用于评估如何将天基发电站的电力与其他低碳能源整合到电网中。

未来的新科技制高点

很明显，如果空间太阳能发电平台的研发取得实质性进展，将会具有重大意义。

从国民经济角度出发，空间太阳能发电平台代表了未来新能源发展方向之一，可能成为大规模能源供给的方式。由于受到昼夜、大气和天候等因素影响，地面太阳能能量密度波动大，需要配置大规模的蓄电装置才能保证供电的稳定。

在空间利用太阳能，不受季节、昼夜变化等因素影响，接收的太阳能稳定、能量密度高，约为1353瓦/平方米左右。同时，通过选取特定的电磁谱段，传输过程受天气影响很小，可以稳定地将能量传输到地面，适合于太阳能的大规模开发利用。发电平台在地球同步轨道 99%的时间可以稳定接收太阳能，并能向地面固定接收站进行稳定的能量传输。

同时随着技术的发展，未来军事行动对于电能的供应会愈发依赖，电能的安全可能直接关系到国家安全。空间太阳能发电平台可以在需要的时机，向某些区域紧急提供源源不断的强大电力，弥补电力缺口。如果在地面和空中的战术平台上安装相应的能量接收装置，空间太阳能发电平台就可以直接向各种战术平台供能，不仅能延长其执行任务的时间，还能及时唤醒那些因断电而陷入“冬眠”的作战单元。空间太阳能发电平台本身就装备有相应的微波或激光发射器，能够实现能源自给，因此具备改装为天基定向能武器的潜力，可以通过大功率微波或激光攻击敌方目标。

当然，这样一项颠覆性的航天工程在实现的过程中存在许多挑战，不过，技术的发展正让这个设想变得愈发接近实际。

6月1日，美国加州理工学院宣布其今年1月发射的一颗卫星已将微波束的能量导向太空中的目标，还将一部分能量发送到地球的探测器上。

据悉，加州理工学院的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。他们把它对准微波接收器，然后随意将光束从一个接收器切换到另一个接收器，并点亮每个接收器上的LED。微波发射器的发射功率很小，只有200毫瓦，比手机摄像头的光还暗，但该团队仍然能够将微波束引向地球，并用接收器探测到它。无疑，该实验的成功是对空间发电概念的有力验证。

综上，虽然目前空间太阳能发电平台距离实际应用还有很长的路要走，但从总体趋势来看，未来必将成为各国努力争夺的又一个科技制高点。（作者：兰顺正 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）