NASA 的太空太阳能希望看起来渺茫

太阳可能正在为 NASA 建造天基太阳能 (SBSP) 卫星系统以缓解地球能源需求的计划落下帷幕。今年一月，该机构发布了一份报告，其中专门引用了发射成本，结论是从轨道发电过于昂贵，尤其是与地球表面直接产生的太阳能相比。

这令人惊讶，因为NASA 半个世纪以来一直对卫星太阳能感兴趣（其他国家也在投资研究）。在某些方面，在太空发电以满足地球的需求是有道理的。太阳持续不断地照射，每天 24 小时。太空中没有空气来衰减阳光，没有天气需要应对，没有云层来阻挡阳光。你所要做的就是在地球轨道上建造一个巨大的太阳能电池板阵列，将它们产生的电力转换为微波，然后将其发射到地球表面的天线上，天线将其转换为电力，输送到需要的地方。今年六月，加州理工学院的一个原型机以这种方式有史以来首次从太空向地球发射了电力。

当然，也存在缺点。一个很大的缺点是微波束的效率。它会随着距离扩散，降低地球表面天线接收到的功率。此外，地球表面上的任何接收天线都必须非常巨大，面积达数平方公里，这限制了谁可以建造它们以及在哪里建造（值得注意的是，科幻小说中危险的强大微波束对地表造成破坏的情节充其量是一种夸张；光束的能量密度太低，无法产生那种影响）。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

这种能量损失因需要将电力卫星放置在地球同步轨道（距地球表面约 36,000 公里）而加剧。在近地轨道 (LEO) 中，仅几百公里高，功率损耗会小得多，但其他缺点大大超过了这个因素。最大的缺点是近地轨道中的卫星相对于地球表面快速移动，速度约为每秒八公里。地面上的任何给定地点最多只能看到近地轨道中的卫星几分钟，因此电力传输在时间上受到严重限制。

一种解决方案是发射数百颗独立的卫星，以便始终有一颗卫星在任何时候都可见。除了非常昂贵之外，那里的缺点是光污染。一颗带有太阳能电池板（以及将能量发射到地球所需的大型微波天线）的卫星将非常明亮，堪比满月。想象一下数十颗、数百颗这样的卫星整夜穿过天空，照亮天空。动植物生命将受到巨大影响，包括鸟类、花卉、昆虫甚至人类，所有这些都受到光污染的影响。这也将是地面天文学的丧钟。

将电力卫星放置在更高的轨道上可以缓解许多这些问题。地球同步轨道是周期约为 24 小时的轨道，与地球自转相匹配。从地面上看，地球同步轨道中的卫星似乎固定在天空中，因此它始终对地面天线可见。只需三颗卫星即可到达地球上的任何地方，尽管实际上需要更多卫星才能提高效率。尽管如此，它们会暗淡得多，可能与夜空中金星的亮度差不多。这对天文学家来说是一个烦恼，但不会威胁到他们的生计。

缺点是距离更远，这意味着光束扩散更大，功率损失也更多。

将材料运送到地球同步轨道并建造卫星将是昂贵的（或许是令人望而却步的）。在 NASA 的报告中，作者根据 SpaceX 星舰火箭的大型有效载荷能力和每公斤入轨的较低发射成本估算了成本。他们从每次发射 1 亿美元的名义价格开始，但也分析了降低后的价格，即每次发射 5000 万美元和 1000 万美元，假设未来价格可能会下降。即便如此，该报告发现，建造一个 SBSP 系统也需要数百次发射，甚至可能超过一千次。当一切尘埃落定时，当太空太阳能系统在 2050 年上线时，消费者的能源成本将是从地面系统获得的能源成本的 12 到 80 倍。

显然，这不经济。

然而，也有一些论点反对该报告的方法论。例如，它假设星舰将把材料从低地球轨道运送到地球同步轨道；这意味着需要在轨道上为大型飞行器加油，这反过来又大大增加了所需的发射次数。《太空评论》指出，电动推进拖船可以用来承担这段旅程的最后一程，费用要低得多。

还有工程方面，增加了成本。如果雇用人类来建造该系统，他们将需要在轨道上居住，还需要一个类似工厂的空间站来组装巨大的太阳能电池板墙，这是一个负担不起的前提。最好使用机器人自动化该过程——但我们目前还没有技术来实现这一目标。

事实上，SBSP 的许多希望都依赖于尚未开发的技术。例如，星舰尚未成功发射到轨道。虽然我不会反对 SpaceX，但事实是，对于一个需要数百次发射的项目来说，该飞行器离成为可靠的主力军还差得很远。我不会把我的全部赌注押在尚未经过验证的火箭上。一旦它启动并运行，并成功完成了数十次发射——并且成本更加明确——那时将是重新评估其效用的时候。

一颗 SBSP 卫星将有一个小城市那么大，由数十平方公里的面板组成，更不用说微波发射天线了，它将达到平方公里的数量级。在太空中组装如此庞然大物的规模前所未有，而 NASA 的历史表明，前所未有的规模的努力总是会落后于计划，并且远超成本。

最后，虽然在创建 SBSP 系统方面取得了一些进展，但我不太清楚我们为什么还需要一个这样的系统。地面太阳能发电的发展迅速，成本和实施价格急剧下降。价格实惠、高容量电池的加入进一步降低了对集中电源的需求。

事实上，地面供电比 SBSP 有许多优势。拥有现场发电（例如，市政面板阵列或房屋上的面板）可以更容易地应对风暴，因为您不必依赖来自集中位置（如 SBSP 的地面接收器）的长距离输电线路。卫星也容易受到太阳风暴的影响，并且会因辐射和微陨石撞击而退化。本地化发电更加可靠。如果一个坏了，你可以用梯子和送货卡车送来的替换面板来修理它。

未来可能有 SBSP 的用途，但在目前这个历史时刻，在完成更多基础工作（无论是比喻还是字面意义上的）之前，大量投资于它们似乎为时过早。正如报告总结的那样，当能力提高后，可以进行进一步的分析。在没有迫切需要花费数千亿美元（至少）用于 SBSP 的情况下，等待并让 NASA 专注于其其他义务更有意义，这些义务也面临着自身的逆风。

这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。