[科学解读]人类首次在太空实现电力无线收发成功

人类历史上首次在太空中成功完成无线能量收发实验。通过在太空进行效率比地表高出8倍以上的太阳能发电，再将所生产的电力传送到地球任意地点的源头技术已被掌握。

加州理工学院研制的太空太阳能发电站技术验证卫星 SSPD-1 号内部。通过太阳能发电产生的电力转换为微波，从无线发射装置传输至接收装置（右侧），成功点亮了 LED。图片来源 加州理工学院官网提供。

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当地时间12日，太空专业媒体Space.com报道称，加州理工学院（CIT）今年1月通过SpaceX的“猎鹰9号”运载火箭，作为太空太阳能发电项目（SSPP）的一部分发射的实验卫星“太空太阳能电力演示器”（Space Solar Power Demonstrator，SSPD-1号），近日成功完成了上述实验。

这颗卫星由作为发电机本体的“DOLCE”、光伏组件“ALBA”和超轻量级微波无线电力传输装置“MAPLE”构成。卫星通过太阳能发电产生电力后，将其转换为微波并向地球发射。此后，CIT研究团队利用安装在加州帕萨迪纳校区戈登&贝蒂·摩尔工程实验室楼顶的设备，成功在地面接收到了这一信号。此外，SSPD-1号卫星内部还在相距约1英尺的发射与接收装置之间来回传输微波形式的电力，成功点亮了两个发光二极管（LED）。

SSPP副负责人 Ali Hajimiri 表示：“根据目前为止开展的实验结果，我们确认在太空中也能够成功进行电力的无线收发”，“我们还向地球传输了能量并实现了探测，地面测试中取得成功的设备在太空中同样实现了运转。”

研究团队尤其对MAPLE设备在没有任何特殊防护装置的情况下，暴露于恶劣的太空环境——即宇宙辐射、太阳辐射热以及极端温度变化——仍能正常工作这一点感到振奋，这意味着今后可以更为容易地扩大系统规模。副负责人 Hajimiri 称：“据我们所知，此前还没有人在太空中成功完成无线电力传输实验”，“我们通过柔性且轻量的结构以及自主开发的集成电路，首次实现了这一目标。”

研究团队开发的MAPLE装置利用光的干涉效应（interference effect）在太空中进行无线能量传输。光具有波动性质，当两束光叠加且具有相同波长和相位时，会合成为更强的“相长干涉”（constructive interference）。如果波长相同但相位不同，则会互相抵消而消失，产生“相消干涉”（destructive interference）效应。研究团队利用这一原理，通过对光的波长和相位进行精密调控，在纳秒（10亿分之一秒）级时间尺度上快速改变能量的传输方向，开发出将能量远程传送至目标接收点的技术，并在本次实验中成功加以验证。

研究团队目前正在评估构成MAPLE装置的各个单元元件的性能，这一艰难过程预计需要投入约6个月时间。相关成果将被用于今后可实用化、商业化的大规模太空太阳能发电与传输装置的研制。副负责人 Hajimiri 表示：“正如互联网扩大了信息获取的权利，我们期待太空太阳能发电技术能够实现能源获取的‘民主化’”，“能源传输无需建设基础设施，这意味着即使是在因战争或自然灾害而遭到破坏的地区，也可以实现能源的远程供应。”

太空太阳能发电与受地形、天气、昼夜变化影响而忽高忽低的地面发电不同，可实现24小时不间断发电。在同等性能的太阳能电池条件下，其发电量至少是地面太阳能设备的8倍。尤其是在无需建设大规模发电、传输和储能基础设施的情况下，就能向地球上任何地点输送并使用电力，这一优势尤为突出。在月球、火星等太空环境中也可以广泛利用。不过，仍有必要验证其安全性、经济性以及实际减排效果等问题。

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近期，随着应对气候变化、减少碳排放的必要性日益凸显，全球主要国家纷纷启动相关项目。欧洲航天局（ESA）自2019年起正式推进相关研究开发（Research and Development），计划在2040年代实现装机容量达2吉瓦（2GW）的太空太阳能发电站商业化。中国、日本也以2030至2040年代实现商业化为目标开展研究。韩国方面，由韩国航空宇宙研究院、韩国电气研究院等机构开发源头技术，正筹备于2020年代末在地球近地轨道进行技术演示。

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