太阳来了——太空太阳能成为人们关注的焦点

轨道上的 24/7 太阳能能否成为应对世界未来能源挑战的答案？ 凯特无柜灰色 4 月 17 日至 19 日在 RAeS 总部举行的 2024 年太空能源国际会议的报告。

4 月 17 日至 19 日，英国能源安全和净零部、皇家航空学会 (RAeS)、英国航天局和欧空局在 RAeS 总部举行了一次高级别会议。

RAeS 前任主席霍华德·奈 (Howard Nye) 对出席会议的代表表示欢迎。 （蒂姆·罗宾逊/RAeS）

国际天基太阳能会议的日程排得满满当当，房间里洋溢着活力和乐观的气氛，该主题的国际专家齐聚一堂，花了三天的时间探讨最新的想法、研究和挑战。 来自政府、工业界和学术界的代表分享了他们对天基太阳能（SBSP）的热情和乐观态度，揭示了技术和资金方面的创新新概念，并考虑了实现这一目标必须克服的挑战。

SBSP的想法可以追溯到1968年，由捷克裔美国工程师Peter Glaser博士首次提出。 传统上，该术语指的是一种系统，其中来自太阳的能量由太空中的太阳能发电厂收集，然后转换并传输到地球（或月球等其他位置）。 会议上还提出了一些涉及将阳光反射到地球上现有太阳能发电场的大镜子的概念。

当 SBSP 首次提出时，没有经济上可行的方法将所有必需的元素发射到太空，但随着发射成本的下降以及新的重型火箭的上市，这种情况可能即将改变。

没有钱，没有巴克·罗杰斯？

建造巨型太阳能电池阵需要多少次发射？ （欧空局）

UKSA 研究与开发主管 Mamatha Maheshwarappa 博士在谈到全球人口不断增长的能源需求与应对气候变化的必要性时提出了这一点。 研究表明，要实现净零排放，大约 90% 的能源必须来自可再生能源，英国正在通过航天局以及能源安全和净零排放部资助 SBSP 概念和技术的研究。

地面太阳能发电场的局限性在于发电是间歇性的，并且会因夜幕降临或云层覆盖而中断。 SBSP 的一个主要好处是，不仅光的强度更高，因为它没有穿过地球大气层，而且通过正确选择轨道，您可以获得持续的清洁能源，不受地球天气限制。 使用微波束将能量发送回地球无需担心云层覆盖，因为微波可以穿过云层。 这听起来像是解决能源危机的一个优雅的解决方案，那么为什么我们没有建立 SBSP呢？

一个问题是，完成这项工作所需的结构确实非常巨大，需要数十次甚至数百次火箭发射。 卫星变得越来越小，但天基太阳能发电场处于与（10 x 10 x 10 厘米）立方体卫星不同的规模，其商业上可行的太阳能发电场跨越数平方公里。

SBSP 要素的庞大规模只是会议上讨论的众多技术、财务和监管挑战之一。 在 SBSP 从科幻小说变成为你早上喝茶的水壶提供动力之前，需要克服这些问题。

英国航天局首席执行官保罗·贝特博士在描述英国的 SBSP 方法时向我们介绍了“专业积极性”的理念。 他还提醒我们，虽然太空令人兴奋，但该机构必须始终从如何使英国在地面上受益的角度来考虑他们的活动。 他认为 SBSP 是“集体机遇，但也是财政挑战”。 英国希望在 SBSP 方面发挥带头作用，并已向 ESA 的 Solaris 项目投入 500 万英镑。 研究投资不仅仅来自航天局，还来自能源安全和净零部（DESNZ）等政府其他部门。 一个很好的例子说明了会议的一个关键主题，即提醒人们SBSP不仅仅是一个空间问题，还是一个能源问题，并且需要就此进行沟通。

欧空局 SBSP Solaris 计划的负责人 Sanjay Vijendran 博士对英国政府采取的联合方法表示赞赏。 “欧洲其他国家还没有完全做到这一点，”他说。 资金仍然是一个大问题，桑杰谈到需要传达 SBSP 的高价值主张，并研究如何降低风险以鼓励进一步投资。 ESA 的 Solaris 计划于 18 个月前开始，正在全面审视全面开发计划开始之前所需的工作。 研究活动包括研究无线电波对地球大气层的影响、发射对环境的影响以及生命周期分析和可持续性。 欧空局仍在征求有关 SBSP 如何影响人类健康和动植物群的研究提案。 Solaris 同时研究了传统的功率发射 SBSP 和大型镜子的直接太阳反射。 他说：“在欧空局，我们认为这些从太空获取能量到地球的概念在未来都有一席之地。”

无论采取哪种方式，财务问题都无法避免，尽管 Space Solar 的 David Homfray 开玩笑说“用无限多的钱你可以建造任何东西”，但他补充说“我们正在研究5 x 2 公里的航天器”。 如果SBSP要成为现实，就不可能忽视巨大的投资需求。 正如一句老话所说：“没有钱，就没有巴克·罗杰斯”。

会议期间提出了各种不同的资助机制。 人们似乎普遍认为，最初的研究和开发需要政府的支持，但仅凭政府资金不太可能达到开发功能齐全的 SBSP 工厂所需的规模。 运营 SBSP 发电厂的成本估计为数十亿英镑，尽管考虑到全球电力市场价值约 4.1 万亿欧元，并且 2023 年清洁能源投资约 1.7 万亿欧元，但成本并不高。看起来并不是那么天文数字。

SBSP作为绿色未来

Megane Christian FRAeS 博士谈到了 SBSP 与气候变化之间的联系。 （凯特·阿克利斯·格雷饰演）

欧空局预备宇航员梅甘娜·克里斯蒂安博士在第二天宣布会议开始，并建议观众需要确保我们将太空视为解决方案的一部分，而不是问题的一部分。 “我们还没有足够明确、足够响亮、足够强烈地表明，利用空间创造绿色未来是我们行业的指导原则”。

会议期间，关于沟通和参与的必要性进行了大量令人耳目一新的讨论。 提高能源行业对 SBSP 的认识至关重要——不仅要从投资的角度让他们参与进来，还要弄清楚如何最好地将 SBSP 集成到现有电力网络中。 参与的必要性还不止于此，本次会议由 DESNZ、UKSA 和 ESA 共同组织，这一事实证明了空间能源倡议所做的工作。

全党议会太空小组主席马克·巴尼耶议员在分享两次议会中的个人经历时，完美地总结了清晰沟通的必要性。 当他开始为 SBSP 辩护时，（当时的）能源部长“耸耸肩说，‘这是太空，不适合我’”。 他指出核电站的讨论并不只是因为核电站位于田野上而针对 DEFRA，他得到了他想要的会议。 他还谈到了一位议员同事，他在 SBSP 上提出的第一个问题是，能量束是否可以变成“军事死亡射线”。

挑战

社会对从太空发射能量的认可可能是一个挑战。 （欧空局）

除了财务和发射能力问题外，SBSP 的进展还需要克服许多障碍。 会议内容如此丰富，以至于只有篇幅来介绍所涵盖的主题，其中包括技术、地缘政治、安全和可持续发展等。

SBSP 硬件可能成为民族国家攻击目标的想法在某种程度上与会议其他地方对国际伙伴关系和合作的积极情绪和信念背道而驰。 “能源是一种商品。 欧洲政策分析中心能源政策专家马切伊·布考斯基（Maciej Bukowski）表示，民族国家都将参与竞争。 “我不会把钱押在国际 SBSP 项目上。”

关于安全和安保的会议最后向专家组提出了一个问题，即他们是否认为他们发现的任何风险是“阻碍因素”。 对于 Maciej 来说，地缘政治问题本身并不是一个大问题，但如果发生任何事情，就会吓到潜在投资者并使项目面临风险。 来自 Frazer-Nash 的 Charlie Hall 在演讲中警告说，SBSP 工厂的物理要素存在安全威胁，但他得出的结论是，良好的监管和从一开始就内置的安全措施将防止安全问题成为阻碍。 不过，他对 SBSP 的社会认可度表示担忧，并警告说，需要从 5G 的推出以及出现的虚假信息和阴谋论中吸取教训。 CGI 的 Peter Death 提出了一个令人震惊的想法，即与太空中的大型太阳能发电厂结构发生故意碰撞，产生的碎片场可能会摧毁整个轨道段。 值得庆幸的是，欧洲创新理事会的斯特拉·特卡乔娃（Stella Tkatchova）在结束会议时发出了更为积极的声音。 她承认需要考虑空间碎片、信号干扰和机器人组装，并指出“作为一个行业，我们确实在风险分析和冗余规划方面拥有经验”。

在技​​术方面，有人呼吁欧洲开发自己的可重复使用的重型运载工具，也有人讨论人工智能的使用，以及航天器在太空自主工作的必要性。 会议还讨论了机器人技术在巨型结构在轨组装中的作用、从太空真实演示能量传输的必要性（而不是在地球上显示的相对较短的距离）、制造能力、使用太空拖船将建筑物移至地球同步轨道，以及提高光伏电池的效率，这将使太空和地面太阳能发电场受益。

有人询问SBSP如何遵守有关空间碎片的现有法规，确保SBSP工厂可持续地建造和退役，并提出需要明确由哪个机构监管和提供功率发射频率许可。 会议听取了国际非电离辐射委员会埃里克·范·荣根 (Eric van Rongen) 的发言，介绍了保护人类安全并确保动力束不会危害健康的现行法规。 欧洲南方天文台的安德鲁·威廉姆斯博士则提出了为天文学家保护黑暗而安静的天空的理由，并呼吁 SBSP 部门与已经制定措施减少其对天文学影响的天文学家和卫星公司合作。

无论挑战领域是什么，无论是政策和监管、技术、保险、技能、制造、安全还是可持续性，我们反复得出的结论是，及早考虑或风险和缓解是最好、最便宜的解决方案。 然而，太空研究所的罗伯特·史密斯强烈反对进行额外分析的呼吁，他展示了多年来进行的大量研究的图像。 他渴望硬件。 他说：“只有在硬件得到资助和建造的情况下，这才会发生。”观众中有人大声说“阿门”。

一个重要的结论是，政府无法单独为 SBSP 提供资金，但在 SBSP 充分降低风险之前，投资者不会投入资金。 这可以通过利用政府资助提高技术准备水平或制定一致的国际监管框架来实现。 “没有人愿意独自一人在舞池上”Maciej Bukowski 评论道。 “政府就像DJ，增加信任并帮助吸引投资者”。

离SBSP有多远？

英国能源安全和净零部的安娜·斯蒂芬森 (Anna Stephenson)。 （蒂姆·罗宾逊/RAeS）

我们需要多长时间才能看到全面商业化的 SBSP 工厂，这一问题并没有简单或明确的答案。 DESNZ 工程与研究副主任 Anna Stephenson 在会议开幕式上引用了 2021 年弗雷泽-纳什可行性研究，该研究得出的结论是，到 2050 年，天基太阳能在技术和经济上都是可行的。

约翰·曼金斯 (John Mankins) 则更为乐观，相信他的建筑如果获得资助，可以在十年内建成并运行，而英国公司 Space Solar 则制定了在 GEO 建造工业发电厂的 12 年路线图，尽管其产量低于 1-其他架构中考虑 2 GW。 商业化和扩展会议的小组成员猜测，我们将在 2035 年、2040 年、2045 年以及“技术变得可行二十年后”看到商业 SBSP 站。

全球进步

今年一月，NASA 发布了一项新研究来检验 SBSP 的可行性和潜在影响。 （美国宇航局）

世界各地 SBSP 研究计划的最新情况表明，正在取得进展（尽管进展缓慢）。 英国正在资助无线电力传输和任务架构可行性等领域的研究，资金来自 UKSA 和 DESNZ。 欧洲航天局的 Solaris 计划正在研究如何降低 SBSP 的风险，以鼓励进一步投资，而意大利航天局主席 Teodoro Valente 教授表示，“在气候变化时代，SBSP 的重要性怎么强调都不为过”，并表示积极的态度关于他们与英国的合作。

NASA 技术、政策和战略办公室副局长 Charity Weedon 在视频讲话中提到了他们今年早些时候发布的一份报告，该报告将 SBSP 与其他可再生能源解决方案进行了比较。 他们的结论是，SBSP 需要降低成本和排放以使其具有竞争力，并且仍然存在需要弥合的技术差距。 尽管 NASA 没有积极的 SBSP 计划，但 Charity 表示，无线电力传输、材料科学和自动驾驶汽车等项目的工作可以帮助克服一些现有的障碍，并且他们会定期重新评估自己的决定。 DARPA 和美国空军研究实验室的演示证实，美国对 NASA 之外的 SBSP 一直有兴趣。

JAXA 的 Koji Tanaka 博士向我们介绍了他们的 OHISAMA 项目，这是一项计划中的在轨实验，旨在利用小型卫星进行微波波束传输进行精确波束控制。 “Ohisama”在日语中的意思是“阳光”，日本的活动重点是精确的能量发射，以及如何利用它向月球上永久阴影的陨石坑输送能量，这对于未来的月球探索非常重要。 韩国航空航天研究所一直在进行无线电力传输实验，并成功将电力传输到地球1.8公里的距离。 他们的路线图显示，他们将在 2030 年代在近地轨道验证技术，在 2040 年代在近地轨道创建兆瓦级平台，并在 2050 年代在地球同步轨道建立千兆瓦级发电厂。

中国也对SBSP表现出浓厚的兴趣。 中国空间技术研究院的侯新斌在视频讲话中谈到了他们的活动，并分享了计划的技术演示任务的路线图草案。 从 2026 年开始在太空中测试单个模块，到 2030-2035 年在近地轨道上测试可提供 500 kW 功率的阵列，以及在 2035-2040 年在 GEO 上提供 200 MW 的整个太阳能电池阵列。 他们的目标是在 GEO 建造一个全面的太阳能电池阵，到 2050 年可提供 2 GW 的发电量。侯谈到了国际合作的必要性，并呼吁建立一个正式的国际组织来制定 SBSP 所需的法规、政策和标准。

DESNZ 首席科学顾问 Paul Monks 教授观察到，对清洁能源需求最大的国家可能与那些负担得起 SBSP 的国家不同。 这就提出了一个道德问题：世界如何才能减少对化石燃料的依赖，而又不会不公平地影响依赖化石燃料的发展中国家。

结论

像 Cassiopeia SBSP 这样的项目现在可以实现吗？ （太空太阳能）

在会议过程中，一些事情变得清晰起来。 SBSP 社区充满了巨大的热情和活力，需要进一步扩大，不仅包括航天工业，还包括能源、政府、政策制定者和传播者。 当前的“意愿联盟”可能会演变成一个更正式的行业机构，开始应对融资和投资方面的挑战，并开始消除进步的障碍。

当然，无论是在技术上还是在财务上，还有大量的工作有待完成，挑战有待克服，但如果这次会议有什么意义的话，那么人们就有很多希望将过去的科幻快速变成现实。未来。

无人能否认气候危机的影响，迫切需要采取行动减少化石燃料的使用，但SBSP能否及时成熟并为2050年实现净零排放做出贡献既不确定，也不是不可能。

凯特·阿克利斯·格雷

2024 年 4 月 26 日