中美能源爭霸看誰先建成太空太陽能發電站

一、中國科學家提出太空太陽能電站設計領先全球

   中美科技戰已從地球打到太空，美國航空暨太空總署(NASA)發布了天基太陽能報告，所謂天基太陽能是指用太陽能衛星收集太陽能後轉換成微波或激光，然後全天通過高頻無線電波無線傳輸到地球，而整流天線會將電磁波轉換為電能。依據陸媒報導，瀋陽航空航太大學楊靖宇研究團隊在《中國空間科學技術》期刊發表了研究成果。這項被命名為“SSPS-CMCA”（圓柱形模組化空間太陽能電站）的設計，採用模組化設計，將大型系統拆解為多個可獨立運行的發電子衛星、微波傳輸子衛星系統。此設計降低了建造難度並了可靠性和可維修性。研究人員在系統外側佈置了環形材料陣列，此特殊材料能將任意角度入射的太陽光轉向垂直於表面的方向，將光線匯聚到內圈的光伏發電板上。這種設計消除了對日定向控制的需求，且相控天線陣列可以通過軟體進行角度控制，從而實現極快的角度切換和對地定向，並減少了對衛星姿態控制的需求。在熱控方面，研究團隊提出了一種基於全譜選擇性薄膜的光子冷卻器，可以有效抑制太陽能電池陣的溫度上升，保障系統的穩定運行。研究人員設計了三階段發展路線：首先進行地面技術驗證，建造尺寸較小的原型系統; 其次在低地球軌道部署小功率實驗衛星; 最後在地球同步軌道建造大功率系統。研究人員指出，其模組化設計具有極佳的擴展性，可以發展為下一代國際空間站、太空補給站或空間科研平台。

   SSPS-CMCA的結構包括發電子衛星和微波傳輸子衛星兩大部分，發電子衛星由圓柱形核心艙、光伏發電陣列、環形聚光陣列以及整體桁架組成。其中圓柱形核心艙採用標準化的模塊設計，兩端可進行對接，便於航太器在太空中組裝。光伏發電陣列貼裝於圓柱形核心艙側面，通過一定的串並組合連接到電源總線上。微波傳輸子衛星包括圓柱形核心艙、相控天線陣列以及方形桁架。相控天線陣列是該系統的關鍵部件，它能通過軟體實現極快的角度切換和對地定向，減少傳統系統對衛星姿態控制的要求。整個系統的投影面積約為4平方公里，其中單個發電子衛星對應的地面接收功率為0.25吉瓦，外圈圓柱直徑1公里，高度1公里。微波傳能子衛星面陣長800米，高750米，寬600米。系統採用5.8GHz頻段的微波傳輸技術，對應的地面接收陣列設計長3.2公里、寬3公里的長方形陣列。為了解決SSPS在軌道上的控制問題，研究人員提出了兩種解決方案：一是在核心艙的星載設備中設置標準化的動量輪模組; 二是採用電力推動發動機組裝於圓柱母線上。太空組裝時，先將各模塊發射至低地球軌道完成組裝，再通過動力艙將整體系統送至地球同步軌道。巨型結構的太空建造、高效率的無線能量傳輸、大規模元件的可靠性等問題，都需要進一步研究和突破。這種革命性的能源系統有望在未來一個不長的時間內從概念變為現實，為人類可持續發展提供源源不斷的清潔能源，其對人類文明的意義，也將遠在星鏈之上。

二、中國積極發展天基太陽能發電而美國意興闌珊

   天基太陽能發電的主要優勢是其非常高的能量收集且不受天氣影響。根據俄羅斯衛星網報導，中國早就計劃在2028年建造世界上第一個天基太陽能發電站，中國將發射一顆衛星測試從太空到地面400公里的無線電力傳輸技術。該衛星將把太陽能轉化為微波或激光，並將能量光束定向到各種目標。據美國《太空新聞》報導，中國空間技術研究院開展的太空太陽能發電技術實驗是清潔能源劃時代的突破，也是中國擴大世界影響力的工具。中國將於2035年建設一座10MW的發電站，最終在2050年建成一個2GW的發電站。中國已能獨立建設空間站已具備組裝技術，天宮空間站將在太陽能電站項目中發揮關鍵作用，為高壓電氣設備提供測試平台，助力超大型結構組裝。中國的空間站將加入從太空收集太陽能並將其以高能微波束的形式發送到地球的項目。中國的西安電子科技大學已經建成了一個空間太陽能發電站的地面驗證系統，據《太空新聞》報導，這一驗證系統突破並驗證了高效率聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流等多項關鍵技術。如果中國成功實現空間太陽能發電，它將獲得許多優勢:(1)中國將成為綠色能源技術的領導者(2)發展此類技術將使中國成為一流航天大國(3)空間太陽能相關產業將使中國在相關領域佔據主導地位。

    反觀美國NASA缺乏建設天基發電站的雄心，NASA報告的天基太陽能發電開始日期已超過時限顯得不受重視。該報告也沒有回應拜登政府的二十一世紀工業戰略旨在“振興我們的製造業基礎，加強關鍵供應鏈，並使美國工人和企業在 21 世紀處於全球競爭和領先地位”。該報告沒有面提出任何建議。同樣，美國也無法透過專門的計畫和資金線來發揮領導作用來開發太空太陽能及其支援技術。該報告也沒有提供對抗中國太空太陽能計劃的選項，該計劃計劃在幾年後進行演示和測試。美國太空總署的報告與自己的月球到火星基礎設施目標脫節。與歐洲太空總署不同，歐洲太空總署在可視化月球大本營和太空太陽能之間的聯繫方面做了出色的工作，NASA的研究並未考慮與美國主導的重返月球計畫《阿耳忒彌斯協議》的統一協調。NASA 也沒有試圖實現國家地月戰略中概述的目標，即“利用與私人實體的合作，實現月球大規模 ISRU和先進製造的能力”，以促進太空經濟。結果是一項令人震驚的、毫無雄心的研究，NASA沒有為美國政府塑造在太空未來問題上發揮領導作用提供明確的選擇。

三、天基太陽能發電站是中美博弈除登月外第二戰場

   美國國家利益雜誌稱從太空獲取太陽能是美國本世紀應該做的改變世界的賭注，對於那些無充分土地發展太陽能的小國，他們將目光放到了太空，準備發展天基太陽能。天基太陽能所面臨的最重要的問題之一，就是如何將電由太空輸送到地面？中國科學家早在2018年就已啟動了逐日計劃，該計劃就是在太空建造一座太陽能發電站。2021年，中國開啟了空間太陽能發電站的測試研製工作。未來中國可能將是世界第一個建成空間太陽能發電站的國家。由於地球大氣層的阻擋和吸收，太空中所能接收到的太陽輻射比地面強上許多，因此天基太陽能發展前景良好。只不過利用微波無線輸電會損失一部分能源，並且要將大量的光伏板送入太空進行組裝，從技術上雖然是個可以實現的，但發射維護成本仍然不容小覷，要在太空建造一座太陽能發電站，前期投資定是非常巨大。天基太陽能在大氣外層空間捕獲太陽能，消除了地球表面太陽能間歇性的許多因素。商業航天領域的不斷發展使得火箭發射成本迅速降低，太空中的太陽能量約是地球表面的八倍，因為它不需要穿過大氣層，不受雲層阻擋，也不會經歷夜間。如果這種太陽能可以被收集並發射回地球，即使用長波長微波，地面市場就可以獲得大量的清潔能源。

   中美大國博弈戰場上包括天基太陽能的開發，中國空間站達到100噸，其供電需求已超過10000瓦。中國考慮建設一個空間太陽能電站，將擁有千兆瓦級的發電能力。太空電站開發和評估的可行性研究在美國、英國、歐洲航天局以及日本和韓國等國家和航天機構中越來越受重視。中國已在天基太陽能關鍵技術上取得了突破，這將有助於推進中國“雙碳”目標和建設航天強國。太陽能在地面易受到天氣、時段影響，很不穩定，但太空中的太陽能卻非常充裕。如果人類能在太空中建造太陽能發電站，則電動汽車將可隨時隨地充電非常方便。如果在3.6萬公里高度的地球同步軌道上建設太陽能電站，太陽光不會被大氣削弱，也不受季節、晝夜變化影響，99%的時間內可穩定接收太陽輻射，且其強度是地面的6倍以上。與化石能源相比，太空太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。太空太陽能電站可以無線方式將電能穩定傳輸到地面電網。太空太陽能發電站還可為宇宙飛船供電，使航天器擺脫巨大的太陽能板。2019年，中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動建設，名為“逐日工程”的空間太陽能電站系統項目也在西安電子科技大學啟動。中國在重慶西部建設了首個天基太陽能電站實驗基，該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的模擬及驗證。與此同時，在重慶700公里之外的西安，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶岩團隊也在開展空間太陽能發電相關試驗。中科院院士葛昌純指出，中國可再生能源開發規模居世界首位，但由於可再生能源的不穩定性，實際發電量占比僅為23.6%。但太陽光在太空中不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化影響，可以通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。

四、太空太陽能電站的困難

   中國的太空太陽能發電站將距地面3.6萬公里，位於地球同步軌道上屬高軌道。太空發電站的關鍵在於將電從太空以無線的方式穩定地傳輸到地面電網，因此大功率、遠距離無線傳能技術的突破是一個必須跨越的難關，這些技術都要先在浮空平台上做試驗。目前，空間太陽能電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和雷射兩種解決方案，微波的能量傳輸效率更高，雲層穿透損耗低，安全性較好，且技術相對成熟，因此現行方案多以微波傳輸為主。空間太陽能電站的第二個難點是如何將電站組件發射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。長期運行的安全性也是重要問題。首先是設備在太空中的運行安全問題，其次是微波輻射下對生態、大氣、生物體等的影響問題。隨著璧山基地開工，中國探索空間太陽能發電技術也算是邁出實質性一步。據《中國科學報》報導，考慮到目前的技術水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現實，將先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據其計劃，第一步先將氣球放到300米低空開展試驗；下一步再讓氣球升到2千米高空；最後，才會將氣球平台升入平流層中。在組件發射方面，璧山基地將使用太空製造技術。太空製造不僅包括太空組裝技術，還包括太空3D列印技術。在太空3D列印技術的加持下，材料能做到極度輕量化，才可能實現利用火箭將它們送往太空。

   事實上，20世紀70年代，美國政府投入約5000萬美元對此進行研究。但美國國家研究委員會和國會評價委員會評審認為，該方案技術上可行，但經濟上無法實現。但近年來，美國關於空間太陽能發電的想法逐漸復甦。據NASA披露，X-37B將為美國空軍學院部署小型FalconSAT-8衛星。該衛星攜帶八個實驗項目，其中包括為海軍研究實驗室進行的一項研究無線電力傳輸的實驗。報導指出，太空太陽能發電技術的潛在應用範圍已從電力供應擴展到軍事用途。其實日本在微波無線能量傳輸技術研究上一直處於世界領先水平，但目前在許多技術強國的發展路線圖中，日本已經落後，2015年，日本研究人員進行了55米距離的微波無線能量傳輸實驗，驗證了基於5.8GHz頻率、固態源和相控陣系統的傳輸，然而，日本的測試系統仍然不是一個完整的環節，缺乏從光到電的過程，日本的技術優勢集中在從發射天線到接收天線的鏈路上。而中國西安電科大建設的地面驗證系統是一個全鏈路的全系統系統，實現了從跟踪太陽、聚光、光電轉換、微波發射到微波接收和整流的全過程。