NASA 的太空太陽能希望看起來渺茫

太陽可能正在為 NASA 建造天基太陽能 (SBSP) 衛星系統以緩解地球能源需求的計劃落下帷幕。今年一月，該機構釋出了一份報告，其中專門引用了發射成本，結論是從軌道發電過於昂貴，尤其是與地球表面直接產生的太陽能相比。

這令人驚訝，因為NASA 半個世紀以來一直對衛星太陽能感興趣（其他國家也在投資研究）。在某些方面，在太空發電以滿足地球的需求是有道理的。太陽持續不斷地照射，每天 24 小時。太空中沒有空氣來衰減陽光，沒有天氣需要應對，沒有云層來阻擋陽光。你所要做的就是在地球軌道上建造一個巨大的太陽能電池板陣列，將它們產生的電力轉換為微波，然後將其發射到地球表面的天線上，天線將其轉換為電力，輸送到需要的地方。今年六月，加州理工學院的一個原型機以這種方式有史以來首次從太空向地球發射了電力。

當然，也存在缺點。一個很大的缺點是微波束的效率。它會隨著距離擴散，降低地球表面天線接收到的功率。此外，地球表面上的任何接收天線都必須非常巨大，面積達數平方公里，這限制了誰可以建造它們以及在哪裡建造（值得注意的是，科幻小說中危險的強大微波束對地表造成破壞的情節充其量是一種誇張；光束的能量密度太低，無法產生那種影響）。

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這種能量損失因需要將電力衛星放置在地球同步軌道（距地球表面約 36,000 公里）而加劇。在近地軌道 (LEO) 中，僅幾百公里高，功率損耗會小得多，但其他缺點大大超過了這個因素。最大的缺點是近地軌道中的衛星相對於地球表面快速移動，速度約為每秒八公里。地面上的任何給定地點最多隻能看到近地軌道中的衛星幾分鐘，因此電力傳輸在時間上受到嚴重限制。

一種解決方案是發射數百顆獨立的衛星，以便始終有一顆衛星在任何時候都可見。除了非常昂貴之外，那裡的缺點是光汙染。一顆帶有太陽能電池板（以及將能量發射到地球所需的大型微波天線）的衛星將非常明亮，堪比滿月。想象一下數十顆、數百顆這樣的衛星整夜穿過天空，照亮天空。動植物生命將受到巨大影響，包括鳥類、花卉、昆蟲甚至人類，所有這些都受到光汙染的影響。這也將是地面天文學的喪鐘。

將電力衛星放置在更高的軌道上可以緩解許多這些問題。地球同步軌道是週期約為 24 小時的軌道，與地球自轉相匹配。從地面上看，地球同步軌道中的衛星似乎固定在天空中，因此它始終對地面天線可見。只需三顆衛星即可到達地球上的任何地方，儘管實際上需要更多衛星才能提高效率。儘管如此，它們會暗淡得多，可能與夜空中金星的亮度差不多。這對天文學家來說是一個煩惱，但不會威脅到他們的生計。

缺點是距離更遠，這意味著光束擴散更大，功率損失也更多。

將材料運送到地球同步軌道並建造衛星將是昂貴的（或許是令人望而卻步的）。在 NASA 的報告中，作者根據 SpaceX 星艦火箭的大型有效載荷能力和每公斤入軌的較低發射成本估算了成本。他們從每次發射 1 億美元的名義價格開始，但也分析了降低後的價格，即每次發射 5000 萬美元和 1000 萬美元，假設未來價格可能會下降。即便如此，該報告發現，建造一個 SBSP 系統也需要數百次發射，甚至可能超過一千次。當一切塵埃落定時，當太空太陽能系統在 2050 年上線時，消費者的能源成本將是從地面系統獲得的能源成本的 12 到 80 倍。

顯然，這不經濟。

然而，也有一些論點反對該報告的方法論。例如，它假設星艦將把材料從低地球軌道運送到地球同步軌道；這意味著需要在軌道上為大型飛行器加油，這反過來又大大增加了所需的發射次數。《太空評論》指出，電動推進拖船可以用來承擔這段旅程的最後一程，費用要低得多。

還有工程方面，增加了成本。如果僱用人類來建造該系統，他們將需要在軌道上居住，還需要一個類似工廠的空間站來組裝巨大的太陽能電池板牆，這是一個負擔不起的前提。最好使用機器人自動化該過程——但我們目前還沒有技術來實現這一目標。

事實上，SBSP 的許多希望都依賴於尚未開發的技術。例如，星艦尚未成功發射到軌道。雖然我不會反對 SpaceX，但事實是，對於一個需要數百次發射的專案來說，該飛行器離成為可靠的主力軍還差得很遠。我不會把我的全部賭注押在尚未經過驗證的火箭上。一旦它啟動並執行，併成功完成了數十次發射——並且成本更加明確——那時將是重新評估其效用的時候。

一顆 SBSP 衛星將有一個小城市那麼大，由數十平方公里的面板組成，更不用說微波發射天線了，它將達到平方公里的數量級。在太空中組裝如此龐然大物的規模前所未有，而 NASA 的歷史表明，前所未有的規模的努力總是會落後於計劃，並且遠超成本。

最後，雖然在建立 SBSP 系統方面取得了一些進展，但我不太清楚我們為什麼還需要一個這樣的系統。地面太陽能發電的發展迅速，成本和實施價格急劇下降。價格實惠、高容量電池的加入進一步降低了對集中電源的需求。

事實上，地面供電比 SBSP 有許多優勢。擁有現場發電（例如，市政面板陣列或房屋上的面板）可以更容易地應對風暴，因為您不必依賴來自集中位置（如 SBSP 的地面接收器）的長距離輸電線路。衛星也容易受到太陽風暴的影響，並且會因輻射和微隕石撞擊而退化。本地化發電更加可靠。如果一個壞了，你可以用梯子和送貨卡車送來的替換面板來修理它。

未來可能有 SBSP 的用途，但在目前這個歷史時刻，在完成更多基礎工作（無論是比喻還是字面意義上的）之前，大量投資於它們似乎為時過早。正如報告總結的那樣，當能力提高後，可以進行進一步的分析。在沒有迫切需要花費數千億美元（至少）用於 SBSP 的情況下，等待並讓 NASA 專注於其其他義務更有意義，這些義務也面臨著自身的逆風。

這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。