全球太空新竞赛：寻找新能源

撰文 | 维小尼

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第196篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：太空太阳能发电站，不需要对物理学或材料技术、组件性能有突破，都是现成的技术，关键在于规模和成本。包括中国在内的主要工业国家，比如美国、日本、欧盟、英国等，都在进行探索、而且兴趣越来越大。一场基于太空太阳能发电站的新的全球太空竞赛，正在展开。

全球要在2050年前实现碳中和，逐渐让煤炭、石油、天然气等化石能源退出，并以清洁能源取而代之，这是净零目标的关键，也是基础。这一步做不到，其他所谓的碳捕集和储存（CCS）、碳汇、高效节能、清洁煤利用等技术，都作用有限，对碳中和很难起决定性作用。

所以，如何寻找化石能源的替代品，发掘更多种类的零碳新能源，如何实现颠覆性技术和新能源革命，是各国政府、科学界、企业界，都在探索的问题。

目前来看，以风电和光伏为主，辅之以电解氢和氨转化的技术路线，是一个大方向，基本比较成熟，在成本上，跟化石能源相比也越来越具有竞争力。

但风光资源还是受到土地限制和间歇性限制，对具有广阔沙漠、戈壁、荒漠的国家来说，具有优势，但对一些国土面积有限的国家来说，开发潜力有限，而且容易跟粮食争夺土地。

还有没有其他更高效和低成本的新能源获取方式？一些科学家认为，发展可控核聚变和太空电站，是解决地球能源危机的另外两大很有前景的出路。

可控核聚变目前还处于非常基础研究阶段，投入还远远大于产出，在相当长时间内可能都无法实现真正意义上的“可控”。

但开展太空电站的研发和建设，极有可能成为未来人类彻底摆脱化石能源束缚、实现净零排放的良好解决方案。

为此，包括中国在内的主要工业国家，比如美国、日本、欧盟、英国等，都在进行探索、而且兴趣越来越大，一些项目也在开展之中。

一场基于太空太阳能发电站的新的全球太空竞赛，正在展开。

太空太阳能发电站，不需要对物理学或材料技术、组件性能有突破，都是现成的技术，关键在于规模和成本。

最近，英国政府委托一家叫Frazer-Nash的咨询公司做了一个可行性研究，发现太空太阳能发电站的成本，与其他能源相比其实更具有竞争力。

Frazer-Nash预测，太空太阳能发电每兆瓦时的平准化电力成本为26英镑，约为核能成本的三分之一，比风能和地面太阳能都要便宜。一旦规模部署，太空太阳能将大大减少能源费用，并为家庭和工业提供能源保障。

图说：根据Frazer-Nash的预测，太空太阳能（SBSP）未来非常具有竞争力。

图为太空太阳能与其他技术相比的平准化电力成本，单位：英镑/兆瓦时。预测2040年基准。

来源：ENERGY MONITOR

01

7*24小时的太阳能发电是可行的

将太阳能发电站放在太空中，这听起来比小说还奇怪，但事实并非如此。

美国科幻小说大师艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在其1941年的短篇小说《理由》中，描述了一个人类从太空中获取太阳能的世界。巨大的轨道太阳能电池板通过无线电波将可再生的能源传回地球。

现在，80年过去了，阿西莫夫的未来愿景可能成为现实。

2022年3月，英国科学部长乔治-弗里曼透露，政府正在酝酿一项160亿英镑的提案，在太空中建立一个太阳能发电站，太空太阳能发电，也称为“天基太阳能（SBSP，一般简称SSP），是英国政府实现净零目标的创新组合中的一项技术。

《环球零碳》曾经对此进行过报道，详情可以点击阅读《花160亿英镑在太空建一个太阳能发电站，靠谱吗》。

其实，这种未来的技术已经超越了科幻小说的范畴，并很快会在全球实现碳中和目标的现实中发挥作用。

一个SSP系统，本质上是一个巨大的航天器，配备了一个展开的太阳能电池板阵列。正如阿西莫夫所想象的那样，这些电池板产生的电力通过高频无线电波传输到地球。一个地面天线，即 "矩形天线"，被用来将无线电波转换为电能，然后传输到电网上。

轨道上的SSP站一天24小时都被太阳照耀着，可实现持续发电。这与基于地球的可再生能源相比具有明显的优势。

尽管不是一项新技术，但最近的突破使SSP更接近于现实。过去十年，这项技术一直被认为是不经济的，主要原因是卫星发射的费用太高。但现在已经发生了根本性的变化。马斯克的SpaceX公司，已经展示了可重复使用的火箭，发射成本已经下降了90%。

除此之外，一些最新的太阳能电池板卫星设计是超模块化的——因此适合大规模制造，这将极大地降低硬件的成本。相关的技术，如自主机器人技术和空间组装，也取得了重大进展。

所以，技术上已经不存在问题，在碳中和目标越来越紧迫的今天，导致各国对太空太阳能重新产生了兴趣。

图说：太空太阳能示意图

来源：Space Energy Initiative

02

新的全球太空竞赛

其实，国际上率先提出太空电站计划的国家为美国，早在1968年就提出了相关设想，后来美国投入5000万美元进行先期研发，到1979年提出了一种概念性方案，计划未来投入1500亿美元，建造60个500万千瓦级的太空电站。

结果这一方案遭到了很多人的反对，认为实施太空电站建设计划，成本高、效率低，而且难度极大，因此建造计划长时间停滞。

但最近美国又有动作，美国太空太阳能项目正在开发高效的太阳能电池，以及一个为太空使用而优化的电力转换和传输系统。美国海军研究实验室也在2020年在太空测试了一个太阳能模块和电力转换系统。

美国海军研究实验室于2020年在美国空军的X-37B航天飞机上开展了一项实验，成功测试了捕获阳光并将其转化为直流电能的硬件。

如果一切按计划进行，空军研究实验室将在2025年投入1亿美元，然后量产携带了这种技术的卫星。美国军方表示，用于操作野战发电机的燃料必须由卡车运输，这些车队很容易成为敌人的目标，所以从太空获取太阳能有助于减少这种脆弱性。

在美国太空部队、国防创新单位和其他军事单位于去年11月发布的一份报告中，太空太阳能发电得到了广泛认可。报告称：“将太空太阳能纳入美国的空间和气候议程，不仅可以为应对气候变化提供又一条新道路，还可以提供新的方式，让行业、公众和国际合作伙伴参与进来。”

图说：中国在重庆璧山建立的实验基地

来源：优美生态环境保卫者

中国也在太空太阳能电站方面有一些进展。

我国提出太空电站建造设想的时间，是2006年，虽然较美国和日本都晚，但是准备非常充分，从2006年到2014年，前后反复、深入论证了8年时间，最终形成了中国太空电站的发展规划，明确了时间表和路线图。

在我国太空电站发展规划中，明确提出该项巨大工程分两个阶段进行，第一阶段为2030年前，在距离地面3.6万公里的高轨道，建设一个兆瓦级的小型太空电站。第二阶段为2050年前，逐步扩展到百万千瓦级。

为实现第一阶段的目标，我国科学家从2018开始，已经开展了相关的地面测试实验。就在2021年的6月份，在重庆璧山区福禄镇和平村，在很短的时间内建造成功空间太阳能电站的实验基地，在基地中树立了一个75米高的试验塔，试验塔中安装了太阳能聚光镜、光电转换装置和无线电发射天线等设备。利用这个平台进行百米级无线电输电实验。在未来几年内，研究团队还会尝试从20公里左右的平流层，向地面进行电能输送。

日本的空间机构也在研究一个系统，并计划在2025年从太空中进行电力传输演示。日本可能是世界上功率光束的领导者，它有一个由政府领导的计划和一个公开的国家政策来发展该技术。

欧洲航天局也正在寻求资助太空太阳能电站项目，并与Frazer-Nash咨询公司签订合同，评估该技术对欧洲的成本和效益。每个欧洲国家都有不同的能源生产政策和制约因素，但俄乌战争，加上一些国家对俄罗斯石油和天然气的依赖，使能源安全成为与脱碳进程并存的一个紧迫的焦点。从中期来看，太空太阳能可能是对欧洲非常有吸引力的选择。

而在英国，根据最近Frazer-Nash的研究，拟议的160亿英镑的太空太阳能电力系统已被认为是一个可行的概念。如果被委托，该项目预计将从小型试验开始，目的是在2040年建立一个可运行的太空太阳能电站。工作假设是到2050年，英国将拥有15颗太阳能卫星，每颗卫星向电网提供2GW的电力。

英国民间对太空太阳能电站也非常有兴趣，50多个英国技术组织，包括航空航天制造商空中客车公司、剑桥大学和卫星制造商SSTL等重量级公司，已经加入英国空间能源倡议，该倡议于2021年启动，旨在探索开发天基太阳能发电厂的方案。

该倡议认为，利用太阳从太空发射电力可以帮助英国在2050年前实现温室气体零排放的目标，比许多现有技术更具有成本效益。

4月27日，该倡议的主席马丁-索尔陶在伦敦举行的一个会议上说，开发太空太阳能发电站所需的所有技术已经存在，挑战在于这样一个项目的范围和规模。

来源：Nasa via Wikimedia Commons

03

清洁能源的未来与挑战

太空太阳能显然是清洁能源技术。根据Frazer-Nash的报告，太阳能卫星在轨道上有空间，可以提供2050年世界预计能源需求的100%以上。它将与风能和地面太阳能等间歇性技术很好地结合起来，因为它是可调度的。换句话说，它可以对间歇性能源的不同输出所引起的需求变化做出快速反应。

太空太阳能电站对环境的影响也相对较小，Frazer-Nash预测，它的地面基础设施在相同输出的情况下只占传统风电场空间的8%，而且它还可以停泊在海上。

斯特拉思克莱德大学最近的一项生命周期评估计算出，太空太阳能的碳足迹为每千瓦时24克二氧化碳，大约是陆地太阳能的一半。

但这项技术并非没有挑战。太阳能电池板的重量被认为是一个早期的挑战，但这已经通过开发超轻的太阳能电池得到解决。

另外，一个太空太阳能站是基于模块化设计的，涉及大量由机器人在轨道上组装的模块。将所有这些元素运入太空是困难的，成本很高，而且会对环境造成影响。即使只是组装一个天基太阳能发电站，也需要多次航天飞机的发射。

尽管像SpaceX这样的公司正在努力使航天飞机可重复使用，但该技术尚未商业化，而且一个可运行的太空太阳能站将面临一些实际挑战。太阳能电池板将容易受到空间碎片的损害，由于没有地球大气层的保护，由于强烈的太阳辐射，太阳能电池板的退化速度可能比地面上的同类产品快得多。

当然，很多挑战都在通过技术创新逐渐解决，太空太阳能，潜力是无限的。

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参考资料：

[1]https://www.energymonitor.ai/tech/innovation/can-solar-panels-in-space-power-the-race-to-net-zero

[2]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1707750848080822206&wfr=spider&for=pc

[3]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1705719376392497924&wfr=spider&for=pc

[4]https://www.spacesolar.caltech.edu/

[5]https://www.space.com/space-based-solar-power-plant-2035

[6]https://interactive.satellitetoday.com/via/june-2022/solar-power-from-space-a-solution-to-net-zero/

[7]优美生态环境保卫者：我国要在太空建设太阳能电站，是否能彻底解决地球的能源危机？

[8]参考消息：美媒：美军实现太阳能射频转换 或可从太空向部队供电

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