文章介绍了加州理工学院的太空太阳能电力项目，团队通过在太空中采集太阳能，利用微波能量传输技术将能量传输到地球，提供清洁可再生能源。项目团队通过实验验证了技术可行性，并展望了未来的发展方向。该项目与早期的太空太阳能概念不同之处在于采用了轻型结构和模块化飞船队的设计，旨在实现更高效、更灵活的能源采集和传输方式。面临的关键挑战包括研发高效、低成本、轻量化的光伏电池技术，以及制造、部署和维护太空飞船队的各项技术和工程问题。全文涵盖了项目的背景、发展历程、技术特点和未来展望，展示了加州理工学院在太空太阳能电力领域的领先地位和创新成果。阅读全文大约需要10-15分钟。*
2023年5月的一个清凉而晴朗的傍晚，加州理工学院电气工程师Ali Hajimiri和他实验室的四名成员聚集在戈登和贝蒂·摩尔工程实验室的屋顶，等待来自太空的信号。
为此，研究人员在地面上散布了便携式洪灯，并在屋顶的一个角落里搭起了可折叠的遮阳篷，用以保护堆放在小折叠桌上的仪器和监视器。附近的两个天线坐落在重型三脚架上，它们的电子目光持续跟踪着一个飘浮在300英里以上高空的无形目标。如果信号到来的话，它将以微弱的微波束形式传输，来自太空太阳能电力演示器(SSPD-1)，这是加州理工学院太空太阳能电力项目(SSPP)的首个太空原型，重约110磅，于五个月前搭载SpaceX火箭Momentus Vigoride-5号太空船升空。
这个期待中的信号的来源是微波能量传输低轨道实验阵列(MAPLE)，这是Hajimiri实验室建造的一系列灵活轻便的微波能量发射器，构成了SSPD-1的三个主要实验之一。Hajimiri是SSPP的联合主任和首席研究员，他和其他人估计，基于MAPLE展示的技术，未来太空采集器可以提供平均为地面相同设备的8倍太阳能。
“这是一个能够提供稳定能量的系统，”航空工程师Sergio Pellegrino补充说，他是SSPP的联合主任和首席研究员，他的实验室研究了SSPD-1的超轻可展开结构。“在提供清洁可再生能源方面存在突破的潜力。”
然后，这种采集的能量可以被传送到地球上的任何地方，包括遭受战争或自然灾害摧毁的地区，或者能源基础设施较差的地区，纳米光子和太阳能专家Harry Atwater解释说，他也是SSPP的一位首席研究员。“你可以想象，在那些你想要为大城市提供电力的地方，你可以立刻做到这一点，而不需要建造大型电力网，”Atwater说。“太空太阳能电力最具革命性的一点是，与地球上的太阳能电力不同，它有可能消除储存的需求。你可以连续24小时获得电力，无需白天和夜晚的储存，比如电池，或季节性的储存。”
大学生如何加入加州理工学院的太空太阳能电力演示器项目
五月的屋顶实验早已计划，但却在短时间内迅速执行。加州理工学院的工程师们只有三个小时的时间将他们的设备搬上屋顶，因为他们只在那个晚上获得了Momentus的批准来进行实验。“并不是我们已经把一切都准备好，然后坐在那等待，”Hajimiri回忆说。“那绝对是一个疯狂的冲刺，我记得当时感到很紧张，心想，‘我真希望我们能在时间内准备好一切，因为如果我们不能，这将是一个被浪费的机会。’”
晚上10点左右，团队暂停了各种活动，聚集在一个监视器旁。从他们所在的屋顶上，只有七分钟的时间可以检测到信号，倒计时已经开始。“一开始，我们没有看到信号，”Hajimiri回忆说。
一分钟过去了。然后又过了一会。在团队的担忧变成警报之前，屏幕上出现了一个数字峰值，它携带了团队根据信号从轨道传播而来的功率水平和频率变化所预测的准确数值。“需要一些时间才能理解，是的，这正在发生，”Hajimiri说。根据Hajimiri的说法，MAPLE的演示标志着第一次在太空中传输和接收能量，朝向地球，然后被检测到。“当然，能量水平在这个阶段非常小，”他说。“这主要是关于检测，但这是第一步。”
尽管只持续了90秒，但2023年5月22日在加州理工学院检测到的微波信号标志着一个重要的里程碑，实现了一个百年来的梦想，即在太空中采集太阳能并将其无线传输到地球。
SSPD-1上的实验旨在测试关键技术，这些技术可以使加州理工学院对这一愿景的独特构想成为可能。该构想涉及部署一支灵活、模块化的宇宙飞船队，每个飞船都配备了一个灵活的超轻膜，可以同时充当太阳能电池板和能量发射器。就像燕群一样，这些飞船将聚集在一起，形成遥远的漂浮太阳能发电站，但每个飞船也可以独立运行。
除了MAPLE，SSPD-1还有另外两个主要实验：可部署的轨道超轻复合材料实验(DOLCE)，这是Pellegrino实验室设计和建造的一个结构，尺寸为6英尺×6英尺，将测试飞船的结构、包装方案和部署机制；以及ALBA（意大利语“黎明”），这是由32种不同类型的光伏(PV)电池组成，其中一些是在Atwater的实验室和其他加州理工学院实验室制造的，另一些来自世界各地的研究人员。Atwater的团队正在进行测试，以确定哪些电池在太空严酷环境中的性能最佳。总共，大约有35名加州理工学院的教职工、博士后、研究生和本科生参与了SSPD-1项目。
在五月的测试成功结束后，Hajimiri的团队爆发出欢呼声，互相击掌，然后开始耗时的工作，拆卸设备并清理屋顶。Riazati回到自己的房间后，才能反思那个晚上的成就。“那时候，我才意识到我已经在这个项目上工作了一年半多，最终取得了这一具有突破性的结果，”她说。“我感到很惊人。”
漫长的旅程
太空太阳能电力的概念可以追溯到早在1923年，当时俄国理论家Konstantin Tsiolkovsky提出使用太空中的镜子来聚焦阳光的强光束传送到地球。多年后，科幻作家Isaac Asimov在他1941年的短篇小说《Reason》中想象了太阳能卫星以无形的微波形式向地球和太阳系各地的人类定居点传输能量的情景。当Asimov的机器人角色第一次了解到这一情况时，他问道：“你指望我相信像你刚刚概述的这种如此复杂、不切实际的假设吗？你把我当什么？”
1973年，第一个有关从轨道传输能量的微波技术的专利被授予NASA工程师Peter Glaser，他还在1968年发表了一篇名为“太阳能能量：它的未来”的重要科学文章，其中详细阐述了他的提议的工程概念。Glaser的宏伟计划要求建造庞大的卫星，配备太阳能电池板阵列，能够在太空中采集太阳能，将其转化为能量，然后将能量通过无线方式传送到地球上的5英里宽的接收天线。Pellegrino说：“这是一个难以置信复杂的基础设施。它需要巨大才有意义。”
Glaser还阐明了在太空采集太阳能的理由：位于大气层之上的太阳永不落山，可以全天候收集太阳能，不受云层、天气或夜晚的影响。这个前景如此引起美国政府的兴趣，以至于它花了2000万美元来研究这项技术（受到20世纪70年代石油危机减少对化石燃料依赖的影响），但几年后又被认为过于复杂和昂贵而放弃了。但由于光伏技术、材料工程和电子学的最新进展，再加上发射成本的降低以及对更多清洁能源的迫切需求，太空太阳能电力正在迎来一个新的时代。
最近，欧洲空间局批准了作为其SOLARIS计划一部分的欧洲太空太阳能网络的两项概念研究，旨在建立太空太阳能电力的技术、政治和程序可行性。中国空间技术研究院计划在2028年前发射自己的功率传输卫星原型，美国海军研究实验室最近测试了将阳光转化为太空微波的技术，尽管它实际上没有将能量传输到任何地方。印度、日本和英国也表示有兴趣开发自己的技术。
在全球各项努力中，加州理工学院（Caltech）的项目可以说是最为领先的：SSPD-1是第一个进入轨道并在太空中演示无线能源传输的太空太阳能发电示范器。Atwater表示：“使用轻型结构在太空中演示无线能源传输是通向太空太阳能发电以及全球广泛使用的重要一步。”
加州理工学院的构想
加州理工学院的努力始于慈善家唐纳德·布伦（Donald Bren），他是爱尔湖公司（Irvine Company）主席，也是加州理工社区的终身成员。年轻时，他通过《Popular Science》杂志的一篇文章首次了解到太空太阳能发电的潜力。受到太空太阳能的潜力启发，布伦在2011年与当时的加州理工校长让-路·沙莫（Jean-Lou Chameau）讨论了创建太空太阳能研究项目的可能性。随后的几年里，布伦和他的妻子布里吉特·布伦（Brigitte Bren），也是加州理工的董事，同意通过唐纳德·布伦基金会（Donald Bren Foundation）进行一系列捐款（最终总额达1亿美元），以资助该项目并设立教授职位。唐纳德·布伦说：“加州理工的杰出科学家们的辛勤工作和奉献精神使我们的梦想变为现实，为全人类提供丰富、可靠和负担得起的能源。”
除了布伦家的支持，北罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman Corporation）在2014年至2017年之间还通过赞助研究协议向加州理工提供了1250万美元，支持了该项目的技术开发和科学进展。
布伦要求加州理工使太阳能发电成为可行和同样重要的经济可行性。学院回应道，要求哈吉米里、佩莱格里诺和阿特沃特的团队发明必要的新技术、材料和制造工艺。Atwater表示：“可以将我们在加州理工的工作描述为一个由组件引领的革命。在太空太阳能技术的领域，我们需要实现一种如今不存在的光伏技术，它要轻巧、高效、低成本并且抵抗辐射。”
太空太阳能发电项目的发射器旨在利用物理干涉现象将能量指向地球。
由于哈吉米里在电子和光子学领域的工作为5G通信和汽车雷达传感器奠定了基础，布伦选择了他。但最初，哈吉米里有所保留。哈吉米里回忆道：“以前人们设想的太空太阳能发电方式实际上一点都不切实际。” 阿特沃特也有类似的初步反应。
他回忆道：“我花了很长时间才克服我自己的怀疑。但这是一种东西：你开始考虑如何实现它，它真的让你着迷，你无法放手。”
阿特沃特、哈吉米里和佩莱格里诺越来越认为这个问题变得更加现实。阿特沃特说：“很明显，我们需要替换其他人设想为系统的基本组件。如果你改变了组件，突然间你就可以获得更高的功率重量比，从而减少了进入轨道的质量，因此减少了发射成本。”
这三人最终提出了一个现在被称为“加州理工概念”的设计计划，与格拉泽几十年前提出的设计截然不同。佩莱格里诺解释道：“加州理工概念不是一个巨大的整体物体。它是一群太空飞行器，非常多，都是相同的。它们是同步的，它们向地球提供能源。”
最初的设想是，每个太空飞行器将携带一个大约每边约200英尺的正方形膜。膜由数百或数千个较小的单元组成，称为瓷砖，其中一个侧面嵌有光伏电池，另一个侧面有微波发射器。这些瓷砖被排列成长条，悬挂在四个伸缩臂之间，这些伸缩臂为膜提供结构和张力。这些长条在发射前被折叠和卷起，一旦飞行器到达轨道，就展开了。每个太空飞行器将独立在太空中操作和机动，但也具有以编队悬停和配置绕几公里的轨道电站的能力，潜在地能够产生大约1.5吉瓦的持续功率。
由于每个电站将由个体太空飞行器集体操作，因此不需要复杂的布线和沉重的中央天线。哈吉米里说：“这是一种范式转变。我用的类比是从一个大象到一群蚂蚁。”
蚂蚁与大象
每个瓷砖通过无线方式通过太空传输能源的能力基于一种称为干涉的物理现象，这是由于光的波动性质而产生的。要理解干涉，哈吉米里说，想象坐在池塘边，把双手都放在水中并上下移动。每只手都会制造波浪，但由于波浪及其能量的相互作用方式，一些波浪会更大，而另一些则会更小。就像水中的大波浪一样，同步的光波相互重叠，它们的峰值相遇，形成更大的峰值；这被称为构造干涉。
哈吉米里在最近宣布SSPD-1的发射时的视频中解释说：“如果有多个源以同一相位协同操作，实际上你可以将能量定向到一个方向，所以它们中的所有能量只会在一个方向上增加，而在所有其他方向上都会互相抵消。” “就像放大镜可以将光聚焦到一个小点一样，你可以控制时间，以便将所有的能量集中在比开始的区域更小的地方。”
通过控制时间来控制方向的好处是不需要机械移动部件，能量可以在瞬间重定向到太空或地面上的接收器。“就好像你有一支完全同步工作的蚂蚁部队，每个蚂蚁都贡献一点能量，但作为整体，它们将它发送到正确的地方，”哈吉米里在视频中说。
工程“倒退”
如果加州理工概念有望实现，Atwater说，关于当前光伏电池技术的一切都需要重新思考和大幅改进。用于太空发电的光伏电池在将阳光转化为能量方面的效率约为32％。它们的质量约为每平方米2.1千克，具有功率重量比，或特定功率，为每千克200瓦。它们的制造成本约为每平方米1万美元。
SSPP的目标是开发一种效率为25％、成本降低100倍（每平方米100美元）、重量降低40倍（每平方米0.05千克）并且具有特定功率提高33倍（每千克6.6千瓦）的光伏电池技术，比目前的太空光伏电池高。用另一种方式来考虑：使用今天的太空光伏电池技术制造的SSPP太空飞行器，成本将达到3600万美元，重量接近9000磅，几乎与福特F-450卡车一样重。而根据Atwater设想的超轻型光伏电池技术，成本仅为45万美元，重量约为300磅，约等于宜家三人座沙发的重量。
为了实现这些宏伟目标，Atwater的团队正在研究新颖的制造技术和用于创建光伏电池的异材料。Atwater表示：“我们正在颠覆用于制造太阳能电池的常规方法。我们说的是，‘我们必须使其非常便宜，所以我们将从经济分析开始，即它必须每平方米100美元。然后我们将设计电池制造过程，然后从中制造电池。’这完全是倒退的。”
Atwater的团队正在使用一种称为“剥薄”的简单方法，制造由砷化镓和磷化铟制成的高效光伏电池。剥薄涉及从块晶体中剥离一层陶瓷材料，以创建比您家中最薄的塑料片还要薄的薄膜层。关键是，剥薄不需要真空环境，而光伏电池可以在类似于消费者烤箱的炉子中烘烤。Atwater说：“我们正在使用加州理工一年级学生所学的同样加工方法。它非常廉价。”
自六月开始的ALBA测试迄今已显示，即使没有保护涂层，砷化镓电池在太空中也表现出色。Atwater说：“这是验证这些低成本电池在太空中工作，而且它们工作得很好的一个证明点。”
ALBA测试中正在测试的另外两种太阳能电池技术包括由钙钛矿薄膜制成的光伏电池，以及使用纳米技术和量子力学将阳光转化为能量的半导体量子点。总共有32个光伏电池样本，每个样本使用这三种技术中的一种变种制备，构成ALBA的科学有效载荷。Atwater解释说：“我们正在测试它们的电流电压特性以及它们如何随温度变化而表现。这是这些种类的光伏电池首次在太空中测试。”
交付和部署
SSPD-1的第三个实验DOLCE演示了灵活膜的包装和部署机制，该膜上布满了光伏和射频组件，尽管DOLCE中未包括，但将需要在完整的太空太阳能发电飞行器中使用。部署的第一阶段发生在2023年5月，该过程在9月完成。佩莱格里诺的团队开发了一种名为“滑封包装”的新方法，通过首先将大型膜切割成精确的条带，然后将这些条带紧密折叠成星形，然后小心地绕绕一个中央轴，形成一个紧密的圆柱包装。DOLCE是太空中首次演示滑封包装技术的工程规模示范。
SSPD-1膜的边缘加固了可展长的“长角”，这是佩莱格里诺实验室广泛研究的结果。它们由两个类似卷尺的超薄复合材料部分组成，由玻璃和碳纤维制成，在一侧粘合在一起。长角的曲线截面是薄壁的，并提供高抗弯刚度，这允许长角在包装期间储存能量；这种“应变能量”然后用于在太空中自行部署结构。
当长角和滑封包装技术结合时，每个膜带可以紧密地储存在圆柱机构中。部署分为两个步骤：首先，带有膜的折叠带从中央线卷出成星形，然后星形展开成平面结构。解卷步骤由电机控制，而展开过程由长角储存的应变能量驱动。佩莱格里诺说：“我们发现这是一个高度可重复的过程，非常健壮。事实上，我们从来没有破坏过任何通过折叠和展开制造的结构，但研究包装技术需要很多，甚至需要更多的研究才能获得让结构自行展开的勇气。”
回顾过去，哈吉米里承认已经走了很长的路，还有很多地方和太空需要探索。他说：“电影通常将成功的道路描述成一条直接的道路。真正的成功之路有很多弯曲和很多死胡同。但人们不谈论这些。有很多事情可能会出错。关键是从中吸取经验教训并迈出下一步。”
新闻资料来源：Solar Power at All Hours: Inside the Space Solar Power Project
1. 大学生如何加入加州理工学院的太空太阳能电力演示器项目？
回答：大学生可以通过参加加州理工学院的相关课程、实验室项目或研究计划，向教授或相关部门表达兴趣并请求加入项目。此外，他们还可以关注学校的公告和招募信息，了解项目是否有招募志愿者或实习生的机会。
2. 哪些国家在开发太空太阳能电力方面也表现出浓厚的兴趣？
回答：除了加州理工学院，欧洲、中国、印度、日本和英国等国家和地区也正在进行太空太阳能电力的研究和开发。这些国家和地区都对太空太阳能电力概念表示出浓厚的兴趣，并已计划或正在进行相关项目的实施。
3. 加州理工学院提出的太空太阳能电力项目如何与早期的太空太阳能概念不同？
回答：加州理工学院提出的太空太阳能电力项目与早期的太空太阳能概念不同之处在于采用了轻型结构和模块化飞船队的设计，每个飞船都携带着光伏电池和能量发射器，能够独立操作或合作形成电力发电站，从而实现更高效、更灵活的能源采集和传输方式。
4. 加州理工学院的太空太阳能电力项目目前的关键挑战是什么？
回答：目前，加州理工学院的太空太阳能电力项目面临的关键挑战包括研发高效、低成本、轻量化的光伏电池技术，以及制造、部署和维护飞船队在太空中运行的各类技术和工程问题。
5. 在太空太阳能电力方面的研究中，光伏电池技术的改进和创新有哪些重要进展？
回答：为了实现太空太阳能电力项目的目标，加州理工学院的研究团队正在探索新颖的制造方法和异材料用于光伏电池的材料。他们也在测试新型光伏电池技术，如砷化镓电池、钙钛矿薄膜电池和半导体量子点电池等，以提高效率、降低成本和适应太空环境的要求。
6. 太空太阳能电力项目如何通过干涉现象实现能量的指向和传输？
回答：太空太阳能电力项目利用干涉现象，即利用光波的波动性质，通过多个源以同步协同操作，将能量定向到需要的方向。干涉可以将能量集中到一个小区域，实现对能量的精确控制和传输，类比为蚂蚁部队的协作。
7. 加州理工学院的太空太阳能电力项目未来的发展方向是什么？
回答：加州理工学院的太空太阳能电力项目的未来发展方向包括继续研发和测试新型光伏电池技术、改进飞船队的制造和部署技术，以实现更高效、更可靠的太空太阳能发电系统，并为未来太空能源传输和利用奠定基础。
*简介与问答内容由人工智能chatGPT根据文章内容总结发散，仅供参考，如有冲突请以正文内容为准
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