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太平洋天然氣和電力公司（PG&E）長期以來一直投資於可再生能源，包括地熱、風能和太陽能。本週早些時候，這家公用事業公司在宣佈首個同類協議時，將目光投向了星空：加州電力公司，發言人喬納森·馬歇爾說，計劃購買一顆從軌道上發射太陽能的衛星產生的清潔能源。
PG&E 與總部位於加利福尼亞州曼哈頓海灘的 Solaren 公司之間的協議仍然取決於州監管部門的批准。如果該協議獲得批准，Solaren 公司必須私下籌集數十億美元，以設計、發射和運營一顆衛星，以及一個計劃在弗雷斯諾縣地區設立的能源接收地面站，Solaren 公司能源服務主管卡爾·博爾曼說。
建造這顆衛星（預計於 2016 年完成）並引入所謂的太空太陽能發電（SBSP）仍然面臨著巨大的挑戰。但是，在氣候變化的緊迫性和太陽能技術成本降低的推動下，越來越多的國家和公司相信一場能源革命可能即將到來。
為什麼要直接從太空收集太陽能？它很豐富，而且“你可以 24/7 獲取[這種]電力，”紐約大學的榮譽物理學教授馬蒂·霍弗特說。陽光在太空中的強度大約是地球上的 5 到 10 倍，而且其光芒將到達放置在地球靜止（固定）軌道上的能量收集衛星——許多當前部署的通訊航天器的領域——超過 99% 的時間。
能源專家表示，SBSP 可以提供持續、無汙染的電力——不像間歇性的風能和受雲層覆蓋影響的地面太陽能，而且沒有化石燃料的排放或核電的放射性廢物。德克薩斯州農工大學空間電力中心（CSP）主任弗雷德里克·貝斯特說：“[SBSP] 是一種顛覆性技術，因為它可能會改變整個能源方程式。”
自 20 世紀 60 年代末以來，SBSP 的前提（和承諾）在科學上被認為是可行的。從軌道上向地球發射微波頻率的基本概念已經得到證實：一支太陽能通訊衛星隊定期向地面接收器發射各種電磁頻率，例如，連線手機通話或向屋頂天線轉播電視訊號。然而，將從太空發射的太陽能轉化為電網中的電力尚未得到證實。
總部位於瑞士的 SBSP 初創公司 Space Energy 旨在透過在未來幾年部署一個原型軌道器來改變這種情況，可能在 Solaren 的試點工廠到達軌道之前。“你可以整天爭論 [SBSP 的] 物理原理，但你只有透過原型才知道，”Space Energy 的聯合創始人彼得·賽奇說，該公司成立於 2008 年。
去年，美國和日本的研究人員在兩個夏威夷島嶼之間無線傳輸微波能量，距離約 90 英里（145 公里），這代表了從軌道傳輸到地球大氣層的距離，CSP 副主任弗蘭克·利特爾說。
許多與 SBSP 相關的技術近年來取得了“巨大進步”，馬里蘭州阿什本的 Managed Energy Technologies, LLC 營運長兼聯合創始人約翰·曼金斯表示，他領導了夏威夷島的測試。大約十年前，最佳光伏效率，或將陽光轉化為電力的效率為 10%，曼金斯說；現在它可以達到 40%。衛星技術也得到了改進：自主計算機系統以及先進的輕型建築材料也取得了巨大進步，他說。
儘管取得了這些進展，並且花費了約 8000 萬美元，但 SBSP 迄今尚未超出美國政府的藍圖。利特爾說，一個關鍵原因是：美國宇航局不做能源，而美國能源部（DoE）不做太空。
然而，美國國防部最近對 SBSP 表示了興趣。空軍上校 M. V. “郊狼”史密斯列舉了高昂的燃料成本，以及向美國戰區和基地供應石油時對人員的風險。五角大樓國家安全空間辦公室（NSSO）的一份2007 年國防報告（pdf）非常看好 SBSP 的商業發展，尤其是隨著未來幾年傳統的化石燃料能源越來越稀缺。“我們必須找到安全、清潔的能源，以幫助我們防止未來發生能源戰爭，” 2007 年報告的作者之一史密斯說。
NSSO 報告稱，鼓勵 SBSP 的商業發展符合聯邦的利益，但政府不應設計或運營最終的軌道發電廠。
然而，此前政府的工作，包括美國宇航局和能源部在 20 世紀 70 年代關於 SBSP 的一份聯合報告，在許多當前的架構方案中留下了印記。這種教科書式的方法要求一顆巨大的、發射微波的衛星，寬達數英里，它將配備多個巨大的太陽能電池板，連線到一箇中央樞紐[如文章第一頁的藝術家構想]。該飛行器將位於地球上方約 22400 英里（36050 公里）的軌道上，或者是到月球距離的十分之一。在那裡，衛星將保持相對於地球表面上的某個點的地球靜止或固定位置，而其太陽能電池板陣列沐浴在持續的陽光下。
然後，捕獲的太陽能在衛星上轉化為電磁載波，特別是微波，理想情況下，頻率為 2.45 或 5.8 吉赫茲（兩者都落在紅外線和 FM/AM 無線電訊號之間的光譜中），以便隨後發射回地面。史密斯說，在該頻率下，波可以輕鬆穿過大氣層，儘管一些能量（物理學家尚不確切知道有多少）會在傳輸過程中丟失。
這種無形的微波能量柱，橫向測量可能為一到兩英里（兩到三公里），將射向一個橢圓形的、地面整流天線或類似尺寸的“整流天線”，然後能量將流入傳統的電網。
儘管與科幻小說中的死亡射線明顯相似，但科學家們認為，來自上方的擴散能量束不會對人類或野生動物構成健康威脅，即使在其最強的中心。
美國宇航局約翰遜航天中心前醫療運營主管兼航空航天醫學專家吉姆·洛根說：“微波輻射是非電離的，就像可見光或無線電訊號一樣。”這意味著它缺乏足夠的能量，像 X 射線和伽馬射線一樣，從原子或分子中移除電子以形成帶電粒子，從而損壞 DNA 和生物分子，他說。
洛根在 2 月份為 Space Energy 撰寫的關於 SBSP 安全的白皮書中寫道，穿過來自太空的載波中心的鳥類可能會感到一些溫暖，但不會達到升高的水平。而且，如果光束偏離其整流天線目標，它將被設計為散焦，洛根說，而不是“在整個景觀中橫衝直撞”。Space Energy 的賽奇說：“我們不會煎鳥或將雲變成蒸汽。”
Space Energy 的第一個執行陣列，它遵循上述典型的 SBSP 設定，將被設計為幾乎連續產生 1 吉瓦的能量，大約與一個大型核電站的輸出相同。根據幾年內成功的原型實驗，Space Energy 預計投資者將投入數十億美元，以使全面的商業工廠成為現實。
Space Energy 的執行長兼聯合創始人斯蒂芬·坦塞爾說，在地球上建造工廠太陽能電池陣列的一部分，以及支架和中央發射器，大約需要兩年時間。大約 40 到 60 次發射將所有第一個 SBSP 衛星的元件提升到近地軌道（LEO），在那裡，自動面板展開（“像雨傘一樣”，坦塞爾說）和機器人將組裝和整合它們。
然而，危險和工程挑戰比比皆是：例如，最近威脅到國際空間站的太空垃圾可能會在組裝過程中與骨架式太空太陽能衛星相撞。保持衛星的巨大光束和遙遠的整流天線可靠同步也是一個尚未解決的技術問題，CSP 的利特爾說。
總的來說，如何可能比多少更容易克服。“從技術上講，我們比經濟上更接近太空太陽能發電，”利特爾說。他說，最大的障礙仍然是發射成本。“太空中的大型結構並不是障礙，但是進入太空的成本是 [SBSP] 的真正障礙，”CSP 的貝斯特說。例如，在 Space Energy 的商業計劃中，為他們的通訊衛星大小的原型分配的 2.5 億美元的一半僅用於將大約 1760 磅（800 公斤）的飛行器發射到軌道上。
儘管 Solaren 對其試點發電廠的外觀守口如瓶，但該公司保留的 2005 年專利表明，該公司打算使用反射鏡（另一種經常探索的 SBSP 元素）來收集和聚焦陽光，然後再將其轉化為微波。根據該專利，Solaren 還希望消除其飛行器上的許多結構聯結器，也就是說，衛星的一些或全部元件，包括反射鏡、電源模組和微波發射器，可以在太空中“自由漂浮”，以串聯方式執行。“最重要的是減輕重量，這樣重量成本就不會讓你破產，”Solaren 的博爾曼說。
SBSP 的支持者希望太空的商業化日益興起（受太空旅遊的吸引力和更便宜的太空通道的經濟因素的推動）將降低火箭進入軌道的費用。一些最著名的創業企業包括理查德·布蘭森的維珍銀河和埃隆·馬斯克的 SpaceX，但近 20 家公司正在嘗試降低發射成本。“這些組織可能會改變發射成本的局面，”貝斯特說。
許多其他障礙阻礙了商業上可行的 SBSP。一個關鍵的監管問題是：獲得聯合國國際電信聯盟（ITU）的許可，該聯盟分配電磁頻譜的使用權。史密斯說，SBSP 理想的微波頻率已被藍牙等無線系統使用。“即使我們可以縮小 [來自太空的] 光束並確保廣播波區域中的完全訊號完整性，”國際電信聯盟可能會認為 SBSP 可能對某些現有技術的干擾過於具有破壞性，他說。
有些人認為，SBSP 的努力應該集中在雷射而不是微波傳輸上，以避免這個問題和其他令人困惑的問題。“我認為使用微波的方法註定要失敗，”紐約大學的霍弗特說。鑑於微波發射器及其太陽能電池板的必要尺寸，“在你獲得 1 千瓦電力之前，這需要鉅額的資本投資，”他補充說。
霍弗特指出，一種效率更高的、基於雷射的方法將需要更小的衛星和發射器，或許只需要一次發射即可。其中一個方案是，在太空中透過光伏發電捕捉太陽光，將能量轉化為可見光或紅外雷射，然後將這種集中的光束全天候照射到沙漠中現有的太陽能電池板陣列上。然而，天氣會干擾雷射傳輸，霍弗特表示，微波和雷射方法都仍然存在其他技術障礙。
正如《大眾科學》雜誌去年報道的那樣，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）正在全面覆蓋各個方面。JAXA希望在2030年左右在地球靜止軌道上擁有一顆1吉瓦的衛星，該衛星可能使用微波或雷射將能量傳回地球。
另一種思路是將太陽能發電機和微波發射器放置在月球表面，甚至利用月球基地建造衛星，然後在地球靜止軌道上發射（由於月球的引力遠弱，相對容易）。許多用於製造衛星的原材料也可以從月球上開採。
如果這些和其他遙遠的未來任務最終實現，它們的創造者可能會回顧PG&E本週對Solaren的信任，將其視為空間太陽能發電（SBSP）發展的關鍵時刻，洛根預測道。“如果[Solaren]能夠交付這種能量，這將是首次將來自太空的資源進口到地球，”他說。“這在人們意識到我們不僅限於地球上的資源方面是一個重大突破。”
除了吉祥的開端，Solaren在籌集資金和建設首個SBSP運營方面還有很長的路要走。洛根承認，安撫當地居民對來自太空的死亡射線的恐懼也需要一些技巧。
公司發言人馬歇爾表示，最終，PG&E並沒有將客戶或股東的資金投入到這筆交易中；相反，Solaren首先負責交付電力。在15年內，Solaren同意幾乎連續提供200兆瓦的電力，足以為25萬戶家庭供電，從2016年6月開始。
“儘管PG&E竭力向公眾保證他們沒有投資，這只是一份供貨合同，但這仍然是一大步，”CSP的利特爾說。“如果近期簽訂另一份能源供應合同，我預計對太空太陽能的興趣將真正加速。”