太空太陽能曆史性突破,順利從太空發送電力到地表!

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一直以來研究人員的一個夢想就是,通過安裝在太空的太陽能面板陣列發電,再將能源傳輸到地球的任何一個角落。只是問題不在於怎么把太陽能設備發射到太空接收光照,而是怎么把電能傳回地球,畢竟在几百千米高的太空中不能拉個電線。

科技正以前所未有的速度和規模發展,引發多個領域的變革,塑造了新的商業模式,甚至重塑了全新社會結構。我們一起,從科技創新中洞察社會轉型和升級的機遇。

狂呼科技研究所聚焦科技創新對當今世界的影響,以獨特、前瞻的科技視角,洞察科技時代下涌現的“創新革命”。

狂呼,以最具突破性的技朮塑造我們的未來,為大眾捕捉科技商業先機,探索當今人類社會面臨的重大挑戰。

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太空太陽能發電站的想法自1941年以來就一直存在。科幻作家艾薩克·阿西莫夫首先在短篇小說“理性”中描寫了它們。在故事中,他寫了一個空間站,該空間站利用微波束將從太陽收集的能量傳輸到各個行星。20世紀70年代有許多概念設計,但當時被認為在經濟上不可行。

基本概念涉及一個帶有太陽能電池陣列的空間站,將太陽能轉化為電能。然後它會使用微波發射器或激光發射器將能量傳輸到地球上的收集器。英國與日本、中國、俄羅斯和美國一直追求太空發電這一夢想。2008年,日本將太空太陽能作為國家目標。

基於環境保護和化石能源消耗問題,目前人類正在快速推進清潔能源的發展,太陽能發電就是被廣泛利用的技朮之一。只不過在地球上安裝太陽能發電設備容易受到環境的干擾導致效率降低,比如角度和天氣問題等。

首先只有在設備所在地的白天才能接收太陽光發電,其次如果是陰雨天云層比較厚的話,太陽光線會被遮擋也會影響發電效率。如果能像航天器那樣將太陽能面板發射到太空,那就不用考慮環境問題了,甚至還可以做到一直面向太陽持續發電。

一直以來研究人員的一個夢想就是,通過安裝在太空的太陽能面板陣列發電,再將能源傳輸到地球的任何一個角落。只是問題不在於怎么把太陽能設備發射到太空接收光照,而是怎么把電能傳回地球,畢竟在几百千米高的太空中不能拉個電線。但這一夢想,在2023年6月被加州理工學院證實是可行的。

美國加州理工學院的“太陽能收集器”2023年初跟隨 SpaceX 的“獵鷹 9 號”火箭升空,如今太空太陽能原型已經開始運作,證明能在太空中無線傳輸電力,而且還可以向地球發射足以探測到的電力。

加州理工學院的太空太陽能計畫/Space Solar Power Project,簡稱SSPP旨在善加利用太空中的乾淨能源,軌道太陽能裝置基本上可以24小時全年無休收集陽光,不用考量到任何天氣條件跟日夜,因此理論上來說,太空太陽能潛力每平方公尺是地球上的8倍。

經過几個月的調試后,研究團隊成功從原型設備中獲得了電力,其方法是利用微波將原型設備發出的電傳回地球。研究人員在加州理工搭建了一個微波接收器矩陣,每個微波接收器只有約1英寸大 ,矩陣則部署了一大堆接收器。接收器矩陣將原型設備從太空中發出的微波收集并轉換為直流電,最終成功點亮了功率極低的LED燈。

只能電量几顆LED也可以看出來目前設備的效率非常低,但畢竟只是原型機,只要驗證這個思路是可行的那就足夠了,這樣隨着研究的推進可能可以找到大幅度提高傳輸效率的新方法。在太空中沒有云層遮擋,也可以通過技朮手段讓航天器7x24小時不間斷發電并傳回地球,太陽能量取之不盡,如果能大規模利用的話,人類甚至都可以解決能源問題。

不過這一切都不便宜,畢竟要把太陽能板發射到太空,均化成本/LCoE落在每度電1至2美元之間,幾乎是美國零售電價的6倍。而加州理工學院今年 1 月初將原型空間太陽能演示器/Space Solar Power Demonstrator,簡稱SSPD送入軌道中,50公斤重的原型機由三大項研究組成,包括:

DOLCE - 可部署在軌道的超輕型複合材料/Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment,為1.8×1.8公尺的方形結構,展示模組化太空航行器Spacecraft的架構、封裝跟部署機制,試驗可以在軌道上的結構。

ALBA - 則帶著32種不同的太陽能電池,可以確定哪種太陽能電池適合在太空環境中存活。

MAPLE - 用在功率傳輸低軌道實驗的微波陣列/Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment則是一組靈活的輕型微波功率發射器,可將功率選擇性地集中在兩個不同的接收器上,展示太空中遠距離的無線電力傳輸。

SSPP聯合主任兼電機工程和醫學工程教授Ali Hajimiri表示,至今的實驗顯示,MAPLE可以成功將電力傳送到太空中的接收器,透過編輯陣列程序還可以將電力輸向地球,我們已經在加州理工學院檢測到。

MAPLE有兩個獨立的接收器陣列,距離發射器約1英尺,主要用來接收能量並轉換為直流電電點亮一對LED。目前MAPLE實驗就在太空中試圖單獨點亮每個LED,並來回切換測試,且該實驗也不是密封環境,也能考驗是否能撐過太空惡劣環境,包括寬溫度波動和太陽輻射。

Hajimiri指出,就我們所知,即使使用昂貴的剛性結構,也沒有人在太空中展示過無線能量傳輸,如今我們正在透過靈活的輕質結構、自己開發的積體電路來首次實現。

MAPLE設備還包括一個小小窗口,主要透過它來發射能量。團隊在加州理工學院帕薩迪納校區高登和貝蒂摩爾工程實驗室的屋頂上接收器檢測到的,團隊在預期的時間和頻率上接受到訊號,根據從軌道的行程具有正確的頻移。

除了證明發射器能倖存並保有性能,該實驗還有回饋機制,其中電力傳輸天線16個為一組,每個再由柔性積體電路晶片驅動,Hajimiri團隊正以小規模的干擾模式和測量各組合之間的差異,來評估系統內單一元件的性能,需要整理不規則現象、還要追溯到各個單元,可能需要長達六個月的時間才能完全完成。

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