关于支持科学新闻
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，您正在帮助确保关于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。
太平洋天然气和电力公司（PG&E）长期以来一直投资于可再生能源，包括地热、风能和太阳能。本周早些时候，这家公用事业公司在宣布首个同类协议时，将目光投向了星空：加州电力公司，发言人乔纳森·马歇尔说，计划购买一颗从轨道上发射太阳能的卫星产生的清洁能源。
PG&E 与总部位于加利福尼亚州曼哈顿海滩的 Solaren 公司之间的协议仍然取决于州监管部门的批准。如果该协议获得批准，Solaren 公司必须私下筹集数十亿美元，以设计、发射和运营一颗卫星，以及一个计划在弗雷斯诺县地区设立的能源接收地面站，Solaren 公司能源服务主管卡尔·博尔曼说。
建造这颗卫星（预计于 2016 年完成）并引入所谓的太空太阳能发电（SBSP）仍然面临着巨大的挑战。但是，在气候变化的紧迫性和太阳能技术成本降低的推动下，越来越多的国家和公司相信一场能源革命可能即将到来。
为什么要直接从太空收集太阳能？它很丰富，而且“你可以 24/7 获取[这种]电力，”纽约大学的荣誉物理学教授马蒂·霍弗特说。阳光在太空中的强度大约是地球上的 5 到 10 倍，而且其光芒将到达放置在地球静止（固定）轨道上的能量收集卫星——许多当前部署的通信航天器的领域——超过 99% 的时间。
能源专家表示，SBSP 可以提供持续、无污染的电力——不像间歇性的风能和受云层覆盖影响的地面太阳能，而且没有化石燃料的排放或核电的放射性废物。德克萨斯州农工大学空间电力中心（CSP）主任弗雷德里克·贝斯特说：“[SBSP] 是一种颠覆性技术，因为它可能会改变整个能源方程式。”
自 20 世纪 60 年代末以来，SBSP 的前提（和承诺）在科学上被认为是可行的。从轨道上向地球发射微波频率的基本概念已经得到证实：一支太阳能通信卫星队定期向地面接收器发射各种电磁频率，例如，连接手机通话或向屋顶天线转播电视信号。然而，将从太空发射的太阳能转化为电网中的电力尚未得到证实。
总部位于瑞士的 SBSP 初创公司 Space Energy 旨在通过在未来几年部署一个原型轨道器来改变这种情况，可能在 Solaren 的试点工厂到达轨道之前。“你可以整天争论 [SBSP 的] 物理原理，但你只有通过原型才知道，”Space Energy 的联合创始人彼得·赛奇说，该公司成立于 2008 年。
去年，美国和日本的研究人员在两个夏威夷岛屿之间无线传输微波能量，距离约 90 英里（145 公里），这代表了从轨道传输到地球大气层的距离，CSP 副主任弗兰克·利特尔说。
许多与 SBSP 相关的技术近年来取得了“巨大进步”，马里兰州阿什本的 Managed Energy Technologies, LLC 首席运营官兼联合创始人约翰·曼金斯表示，他领导了夏威夷岛的测试。大约十年前，最佳光伏效率，或将阳光转化为电力的效率为 10%，曼金斯说；现在它可以达到 40%。卫星技术也得到了改进：自主计算机系统以及先进的轻型建筑材料也取得了巨大进步，他说。
尽管取得了这些进展，并且花费了约 8000 万美元，但 SBSP 迄今尚未超出美国政府的蓝图。利特尔说，一个关键原因是：美国宇航局不做能源，而美国能源部（DoE）不做太空。
然而，美国国防部最近对 SBSP 表示了兴趣。空军上校 M. V. “郊狼”史密斯列举了高昂的燃料成本，以及向美国战区和基地供应石油时对人员的风险。五角大楼国家安全空间办公室（NSSO）的一份2007 年国防报告（pdf）非常看好 SBSP 的商业发展，尤其是随着未来几年传统的化石燃料能源越来越稀缺。“我们必须找到安全、清洁的能源，以帮助我们防止未来发生能源战争，” 2007 年报告的作者之一史密斯说。
NSSO 报告称，鼓励 SBSP 的商业发展符合联邦的利益，但政府不应设计或运营最终的轨道发电厂。
然而，此前政府的工作，包括美国宇航局和能源部在 20 世纪 70 年代关于 SBSP 的一份联合报告，在许多当前的架构方案中留下了印记。这种教科书式的方法要求一颗巨大的、发射微波的卫星，宽达数英里，它将配备多个巨大的太阳能电池板，连接到一个中央枢纽[如文章第一页的艺术家构想]。该飞行器将位于地球上方约 22400 英里（36050 公里）的轨道上，或者是到月球距离的十分之一。在那里，卫星将保持相对于地球表面上的某个点的地球静止或固定位置，而其太阳能电池板阵列沐浴在持续的阳光下。
然后，捕获的太阳能在卫星上转化为电磁载波，特别是微波，理想情况下，频率为 2.45 或 5.8 吉赫兹（两者都落在红外线和 FM/AM 无线电信号之间的光谱中），以便随后发射回地面。史密斯说，在该频率下，波可以轻松穿过大气层，尽管一些能量（物理学家尚不确切知道有多少）会在传输过程中丢失。
这种无形的微波能量柱，横向测量可能为一到两英里（两到三公里），将射向一个椭圆形的、地面整流天线或类似尺寸的“整流天线”，然后能量将流入传统的电网。
尽管与科幻小说中的死亡射线明显相似，但科学家们认为，来自上方的扩散能量束不会对人类或野生动物构成健康威胁，即使在其最强的中心。
美国宇航局约翰逊航天中心前医疗运营主管兼航空航天医学专家吉姆·洛根说：“微波辐射是非电离的，就像可见光或无线电信号一样。”这意味着它缺乏足够的能量，像 X 射线和伽马射线一样，从原子或分子中移除电子以形成带电粒子，从而损坏 DNA 和生物分子，他说。
洛根在 2 月份为 Space Energy 撰写的关于 SBSP 安全的白皮书中写道，穿过来自太空的载波中心的鸟类可能会感到一些温暖，但不会达到升高的水平。而且，如果光束偏离其整流天线目标，它将被设计为散焦，洛根说，而不是“在整个景观中横冲直撞”。Space Energy 的赛奇说：“我们不会煎鸟或将云变成蒸汽。”
Space Energy 的第一个运行阵列，它遵循上述典型的 SBSP 设置，将被设计为几乎连续产生 1 吉瓦的能量，大约与一个大型核电站的输出相同。根据几年内成功的原型实验，Space Energy 预计投资者将投入数十亿美元，以使全面的商业工厂成为现实。
Space Energy 的首席执行官兼联合创始人斯蒂芬·坦塞尔说，在地球上建造工厂太阳能电池阵列的一部分，以及支架和中央发射器，大约需要两年时间。大约 40 到 60 次发射将所有第一个 SBSP 卫星的组件提升到近地轨道（LEO），在那里，自动面板展开（“像雨伞一样”，坦塞尔说）和机器人将组装和集成它们。
然而，危险和工程挑战比比皆是：例如，最近威胁到国际空间站的太空垃圾可能会在组装过程中与骨架式太空太阳能卫星相撞。保持卫星的巨大光束和遥远的整流天线可靠同步也是一个尚未解决的技术问题，CSP 的利特尔说。
总的来说，如何可能比多少更容易克服。“从技术上讲，我们比经济上更接近太空太阳能发电，”利特尔说。他说，最大的障碍仍然是发射成本。“太空中的大型结构并不是障碍，但是进入太空的成本是 [SBSP] 的真正障碍，”CSP 的贝斯特说。例如，在 Space Energy 的商业计划中，为他们的通信卫星大小的原型分配的 2.5 亿美元的一半仅用于将大约 1760 磅（800 公斤）的飞行器发射到轨道上。
尽管 Solaren 对其试点发电厂的外观守口如瓶，但该公司保留的 2005 年专利表明，该公司打算使用反射镜（另一种经常探索的 SBSP 元素）来收集和聚焦阳光，然后再将其转化为微波。根据该专利，Solaren 还希望消除其飞行器上的许多结构连接器，也就是说，卫星的一些或全部组件，包括反射镜、电源模块和微波发射器，可以在太空中“自由漂浮”，以串联方式运行。“最重要的是减轻重量，这样重量成本就不会让你破产，”Solaren 的博尔曼说。
SBSP 的支持者希望太空的商业化日益兴起（受太空旅游的吸引力和更便宜的太空通道的经济因素的推动）将降低火箭进入轨道的费用。一些最著名的创业企业包括理查德·布兰森的维珍银河和埃隆·马斯克的 SpaceX，但近 20 家公司正在尝试降低发射成本。“这些组织可能会改变发射成本的局面，”贝斯特说。
许多其他障碍阻碍了商业上可行的 SBSP。一个关键的监管问题是：获得联合国国际电信联盟（ITU）的许可，该联盟分配电磁频谱的使用权。史密斯说，SBSP 理想的微波频率已被蓝牙等无线系统使用。“即使我们可以缩小 [来自太空的] 光束并确保广播波区域中的完全信号完整性，”国际电信联盟可能会认为 SBSP 可能对某些现有技术的干扰过于具有破坏性，他说。
有些人认为，SBSP 的努力应该集中在激光而不是微波传输上，以避免这个问题和其他令人困惑的问题。“我认为使用微波的方法注定要失败，”纽约大学的霍弗特说。鉴于微波发射器及其太阳能电池板的必要尺寸，“在你获得 1 千瓦电力之前，这需要巨额的资本投资，”他补充说。
霍弗特指出，一种效率更高的、基于激光的方法将需要更小的卫星和发射器，或许只需要一次发射即可。其中一个方案是，在太空中通过光伏发电捕捉太阳光，将能量转化为可见光或红外激光，然后将这种集中的光束全天候照射到沙漠中现有的太阳能电池板阵列上。然而，天气会干扰激光传输，霍弗特表示，微波和激光方法都仍然存在其他技术障碍。
正如《大众科学》杂志去年报道的那样，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在全面覆盖各个方面。JAXA希望在2030年左右在地球静止轨道上拥有一颗1吉瓦的卫星，该卫星可能使用微波或激光将能量传回地球。
另一种思路是将太阳能发电机和微波发射器放置在月球表面，甚至利用月球基地建造卫星，然后在地球静止轨道上发射（由于月球的引力远弱，相对容易）。许多用于制造卫星的原材料也可以从月球上开采。
如果这些和其他遥远的未来任务最终实现，它们的创造者可能会回顾PG&E本周对Solaren的信任，将其视为空间太阳能发电（SBSP）发展的关键时刻，洛根预测道。“如果[Solaren]能够交付这种能量，这将是首次将来自太空的资源进口到地球，”他说。“这在人们意识到我们不仅限于地球上的资源方面是一个重大突破。”
除了吉祥的开端，Solaren在筹集资金和建设首个SBSP运营方面还有很长的路要走。洛根承认，安抚当地居民对来自太空的死亡射线的恐惧也需要一些技巧。
公司发言人马歇尔表示，最终，PG&E并没有将客户或股东的资金投入到这笔交易中；相反，Solaren首先负责交付电力。在15年内，Solaren同意几乎连续提供200兆瓦的电力，足以为25万户家庭供电，从2016年6月开始。
“尽管PG&E竭力向公众保证他们没有投资，这只是一份供货合同，但这仍然是一大步，”CSP的利特尔说。“如果近期签订另一份能源供应合同，我预计对太空太阳能的兴趣将真正加速。”