當發明家查爾斯·弗裡茨在1880年代創造出第一個簡陋的太陽能光伏電池時，人們可能會認為這項成就將迅速革新全球電力生產。畢竟，沒有比陽光更廉價、更清潔、更普及的能源了。然而，儘管在技術上取得了巨大（且持續不斷）的進步，使太陽能發電變得越來越強大和經濟實惠，但在大約140年後的今天，它仍然只供應了不到5%的世界電力。儘管太陽能有諸多好處，但它的確存在一些限制其使用的缺點——其中最主要的是地球表面在任何給定時間都有一半處於黑暗之中。
1968年，美國航空工程師彼得·格拉澤詳細闡述了一個潛在的解決方案，來解決這些問題，這個方案不僅“跳出固有思維模式”，而且完全超越了地球大氣層。格拉澤提議，與其在廣闊的、生態脆弱的土地上建造巨大的太陽能發電場，不如將光伏電池發射到軌道上，部署在太陽能發電衛星群中。在軌道上——不受雲層衰減，擺脫地球晝夜迴圈的束縛——可以以最佳效率收集陽光，然後以微波的形式定向傳輸到地面“整流天線”（rectennas）。回到地球上，微波將被轉換成電力，並輸送到全球的電網中。
然而，在當時以及之後的幾十年裡，空間發射的成本過高，光伏電池的效能過低，使得格拉澤的美好想法無法實現。但現在，技術進步，加上對清潔能源日益增長的需求，正在重振太空太陽能發電（SBSP）的概念，美國、中國、歐洲和日本正在湧現試點專案。隨著新一輪研究的開始，問題仍然存在：太空太陽能發電什麼時候才能準備好迎接它的陽光時刻？
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞事業，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
傾向於未來
在美國，在航天工業的快速發展和氣候變化帶來的嚴峻威脅的刺激下，美國國家航空航天局（NASA）正在密切關注太空太陽能發電的當前和近期前景。尼古拉·約瑟夫是NASA技術、政策和戰略辦公室（OTPS）的政策分析師，也是即將釋出的OTPS研究報告的主要作者，該研究報告專門探討了這一方法。鑑於全球對太空太陽能發電變革性可能性的日益增長的興趣，OTPS現在開展一項研究是有意義的，他說。
“幾十年來，太空太陽能發電一直具有吸引力，但建造和發射能夠利用它的航天器被認為成本過高，”約瑟夫說。“現在，技術發展和過去十年航天工業的增長可能意味著情況正在發生變化……定期回顧好主意並研究各種選擇非常重要。NASA需要了解什麼是可能的，因為太空太陽能發電的出現將與我們的許多其他利益相交。NASA需要關注太空技術的方方面面。我們應該始終傾向於未來。”
對於NASA來說，這個未來很可能包括在地球之外使用太空太陽能發電，以支援該機構蓬勃發展的阿耳忒彌斯計劃，即載人月球探測計劃。例如，月球周圍的太空太陽能發電能力可以幫助為月球表面的前哨站和其他探測活動提供動力。更雄心勃勃的是，定向能量傳輸未來也可能被用於將航天器送往行星際甚至星際目的地，而無需攜帶昂貴的推進劑。
萬能的能源靈藥？
回到地球上，太空太陽能發電被一些人視為實現溫室氣體淨零排放的理想方式，同時仍然擁有穩定、可持續和充足的電力供應。與來自地面太陽能和風能的電力不同——地面太陽能和風能都更容易受到環境條件波動的影響——太空太陽能發電可以全天候執行（提供所謂的基荷電力），同時還允許在電網之間靈活、響應迅速地分配電力（“可排程”電力）。
弗雷澤-納什諮詢公司的分析師、英國太空能源倡議（SEI）的聯合主席馬丁·索爾託說：“太空太陽能發電獨特地能夠提供城市規模的基荷電力和可排程電力，因此是一項非常有價值的新型清潔能源技術。”。“另一個優點是，太空太陽能發電不需要對電網進行重新設計。我們設想地面[整流天線]將位於現有電網互連點附近，可能與現有海上風電場相鄰。”SEI是政府、工業界和學術界之間的合作伙伴關係，旨在建設一支太空太陽能發電衛星群，以便在2040年代連線到英國電網。SEI的假想衛星群中的每顆衛星將產生大約相當於一座燃煤或核燃料發電廠的電力。
然而，要實現這一切，需要進行穩健的在軌測試。這就是為什麼在完整的太空太陽能發電衛星群首次亮相之前，SEI計劃首先在2030年之前發射一個軌道演示器。
索爾託說：“可能最早需要在太空測試和演示的兩項最重要的技術是這些大型結構的自主機器人組裝，以及以有意義的功率水平從太空向地球定向傳輸能量。”。“還需要解決許多其他重要問題，例如監管環境和頻譜分配，”他補充道。
高科技測試
SEI並非唯一一家尋求對太空太陽能發電相關硬體進行真實世界測試的機構。全球各地正在進行多個此類專案。
中國空間技術研究院和西安電子科技大學在中國搭建了一個大型結構，以演示用於聚光太陽能和無線能量傳輸的新技術。該專案代號為“逐日工程”，使用了在西安電子科技大學南校區建造的75米高的鋼塔。新設施旨在測試和驗證用於軌道外形薄膜能量聚集陣列（OMEGA）的技術，OMEGA是一種用於在地球靜止軌道上收集太陽能的聚光系統。
還有歐洲航天局的SOLARIS倡議，這是一項為期三年的擬議研發議程，旨在探索太空太陽能發電概念和關鍵技術。SOLARIS正在提議在今年11月舉行的歐空區域性長級理事會會議上獲得批准。10月18日，歐空局舉辦了“SOLARIS行業日”，以明確太空太陽能發電的研究和開發任務，如果獲得支援，這些任務可以在2023-2025年時間框架內完成。
在日本，研究人員自1980年代以來就一直在執著地研究太空太陽能發電。日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的研究人員設計了一項計劃，用於開發和測試控制能量束和在軌道上組裝大型結構的新方法。理想情況下，這項工作將在十年或二十年內促成太空太陽能發電系統的出現。除了紙面評估之外，日本太空太陽能發電研究人員還製造了提高雷射和微波能量束精度的技術，並在亞軌道火箭上飛行了太空太陽能發電相關裝置，以收集技術資料。
回到美國，除了NASA及其民用航天利益之外，國防部也對使用太空太陽能發電為全球軍事行動提供動力非常感興趣。美國空軍研究實驗室最新的努力——太空太陽能發電增量演示和研究（SSPIDR）專案——得到了航空航天公司諾斯羅普·格魯曼以及美國海軍研究實驗室（NRL）的貢獻。SSPIDR最近對名為“蜘蛛網”（Arachne）的在軌飛行實驗裝置進行了首次地面測試。“蜘蛛網”預計將於2025年發射，其任務之一是演示在近地軌道形成和聚焦射頻束的能力。空軍表示，這項工作的目標是“為遠征部隊提供不間斷、可靠且後勤靈活的電力”。
與此同時，NRL率先開發了專門的模組，旨在提高將太陽能轉化為微波的效率。一個包含這些模組的測試裝置，被稱為光伏射頻天線模組，甚至在美國空軍秘密的X-37B無人太空梭上在太空停留了900多天。
潮起潮落
NRL電子工程師保羅·賈菲長期以來一直從事太空太陽能發電相關工作，他說，多年來，人們對該主題的興趣時起時伏，但目前專案激增的原因是關鍵使能技術取得了真正有意義的進展。
賈菲說：“歷史上對太空太陽能發電的反對意見是經濟性，主要是發射成本問題。”。“我認為關於它是否具有經濟意義的結論尚未最終確定。仍然需要進行大量的電網技術開發，才能達到我們希望享有的彈性和供應水平。”
賈菲說，在承諾開發成熟的系統之前，進行在軌太空太陽能發電硬體演示是合理的和明智的。他指出，此類測試可能耗資數億美元，即使獲得了此類啟動資金，太空太陽能發電仍然需要持續的政治支援。它是否會真正起飛，在很大程度上（如果不是更多的話）取決於經濟和監管因素，而不是技術發展。
賈菲說：“歸根結底，關鍵在於以一種在成本上與替代方案具有競爭力的方式來做到這一點。”
約翰·曼金斯曾是NASA的技術專家，也是一位長期的太空太陽能發電倡導者，他對該方法的前景仍然持樂觀態度。恰如其分的是，他目前還是國際宇航科學院太空太陽能發電常設委員會的聯合主席。
過去，太空太陽能發電計劃一直受到三個相互關聯的財務障礙的阻礙：建造必要硬體的高昂成本、確保硬體適合太空環境，然後實際將其送入軌道。“所有這三項障礙都已被打破，”曼金斯說，這歸功於太空機器人技術的進步、大規模生產太空太陽能發電元件的能力以及將硬體送入太空的成本大幅下降。
他說，總而言之，這三重積極趨勢可能會將前期投資成本削減數千億美元，從而將太空太陽能發電推向經濟可行性的新時代。曼金斯說，這足以激發當今多國對太空太陽能發電的興趣和參與。
悲觀的預測
並非所有人都對太空太陽能發電的前景抱有如此樂觀的看法。一位著名的批評者是阿莫里·洛文斯，他是能源政策專家，也是RMI（前身為落基山研究所）的聯合創始人兼榮譽主席，RMI是一家致力於改善世界能源實踐的非營利組織。他是斯坦福大學土木與環境工程的兼職教授，也是該大學普雷 court能源研究所的學者。
洛文斯說，儘管與NASA太空梭的成本-效能曲線相比，SpaceX的獵鷹助推器系列將有效載荷送入近地軌道的每公斤成本下降了約20倍，但發射成本“仍然是一個巨大的障礙”。
洛文斯說，也存在安全擔憂，他回顧了1960年代後期太空太陽能發電熱潮首次興起時仍然存在的問題。“當時有些人想知道，從太空發射微波束武器是否是議程的一部分，”他說。“現在我們可能更擔心在已經非常脆弱和易碎的輸電網中增加另一個超集中式電源。”
儘管太空太陽能發電在概念上仍然具有吸引力，但洛文斯說，可再生能源領域的其他趨勢對其可行性構成了巨大挑戰。地面可再生能源迅速變得非常便宜，風能和太陽能的批發價均低於每千瓦時3美分。他說，以確保“可靠”電力輸送的方式將這些“陸地”能源整合到現有電網中，只會增加少量成本。這使得洛文斯得出結論，太空太陽能發電備受吹捧的好處——即其有效恆定的可用性，無論地球晝夜——只有很小的益處。在這種情況下，他說，要想在每千瓦時的成本上擊敗陸地可再生能源的廉價價格，前往太空仍然極其困難，甚至是不可能的。
“簡而言之，我認為即使在西雅圖，光伏電池從你的屋頂提供的電力也比從太空提供的電力更便宜，”洛文斯說。“我不是太空專家，但我看不出太空太陽能發電的這個基本劣勢會改變。陸地風能和[光伏]電池的成本都將再下降兩到三倍，使其能源非常接近於免費。”
洛文斯問道，為什麼要花費如此多的麻煩和費用在地球大氣層之外收集陽光，“當陽光已經免費分配，像雨水一樣，公平地灑在好人和壞人身上？”
就像太空太陽能發電本身一樣，找到這個哲學問題的明確答案仍然是一項正在進行的工作。