太空中的太陽能電站可能是我們能源需求的答案

這聽起來像是科幻小說：巨大的太陽能發電站漂浮在太空中，將巨大的能量輻射到地球上。長期以來，這一概念(最初由俄羅斯科學家Konstantin Tsiolkovsky于1920年代提出)主要是對作家的啟發。

然而，一個世紀后，科學家在將這一概念變為現實方面取得了巨大進步。歐洲航天局已經意識到了這些努力的潛力，現在正尋求為此類項目提供資金，并預測我們將從太空獲得的第一種工業資源是“束流發電”。

氣候變化是我們這個時代最大的挑戰，因此存在很多風險。從全球氣溫升高到天氣模式轉變，全球已經感受到氣候變化的影響。克服這一挑戰將需要徹底改變我們產生和消耗能量的方式。

近年來，可再生能源技術得到了飛速發展，具有更高的效率和更低的成本。但是，吸收它們的一個主要障礙是它們不能持續提供能量。風力發電場和太陽能發電場僅在刮風或曬太陽時才產生能量，但我們每天都需要全天候供電。最終，我們需要一種能夠大規模存儲能量的方法，然后才能轉向可再生能源。

解決這個問題的一種可能方法是在太空中產生太陽能。這有很多優點。一個天基太陽能發電站可以一天24小時面向太陽運行。地球的大氣層也吸收并反射一些太陽光，因此大氣層上方的太陽能電池將接收更多的陽光并產生更多的能量。

但是要克服的主要挑戰之一是如何組裝，發射和部署如此大的結構。單個太陽能發電站可能必須高達10公里的面積相當于1400個足球場的平方。使用輕質材料也將至關重要，因為最大的支出將是將火箭發射到太空的費用。

一種建議的解決方案是開發成千上萬個較小的衛星，這些衛星將聚集在一起并配置為一個大型的太陽能發電機。2017年，加利福尼亞理工學院的研究人員概述了模塊化電站的設計，該電站由數千個超輕太陽能電池磚組成。他們還展示了一種原型瓷磚，每平方米的重量僅為280克，與卡片的重量相似。

近來，也正在針對這種應用關注諸如3-D打印的制造方面的發展。在利物浦大學，我們正在探索將超輕型太陽能電池印刷到太陽帆上的新制造技術。太陽帆是一種可折疊，輕便且高反射率的薄膜，能夠利用太陽輻射壓力的作用來推動航天器向前推進而無需燃料。我們正在探索如何將太陽能電池嵌入太陽能帆結構中，以創建大型的無燃料太陽能發電站。

這些方法將使我們能夠在太空中建造電站。確實，有一天有可能在國際空間站或將繞月軌道運行的未來月球門戶站制造和部署太空裝置。這樣的設備實際上可以幫助在月球上供電。

可能性不止于此。盡管我們目前依靠地球上的材料來建造發電站，但科學家們也在考慮利用太空中的資源進行制造，例如月球上發現的材料。

另一個重大挑戰是將功率傳輸回地球。該計劃是將太陽能電池中的電能轉換為能量波，并利用電磁場將其向下傳遞到地球表面的天線。天線然后將波轉換回電能。由日本航空航天局領導的研究人員已經開發了設計并展示了一種能夠實現這一目標的軌道系統。

在這個領域仍然有很多工作要做，但是目標是在未來幾十年中實現太空中的太陽能發電站成為現實。中國的研究人員設計了一個名為Omega的系統，目標是到2050年投入運行。該系統應能夠以最高性能向地球電網提供2GW的電力，這是一個巨大的數目。為了用地球上的太陽能電池板產生那么多的電力，您將需要超過600萬個。