[读懂科学]随时随地“无线充电”…能源革命正加速
太空太阳能发电提速，美英启动全面研发
中国、欧洲、日本等计划在2030年代实现商用化
韩国仅停留在“源头技术”水平…“亟须展开大规模投资”
在地球与太空之间往返，或探索月球、火星时，最大的难题是能源供应。如果能随时随地通过无线方式为设备充电，会怎样？曾被视为遥远未来技术的太空太阳能发电，有望以超出预期的速度走向实用化。美国和英国在构想提出数十年后，终于开始正式行动。走在最前面的中国已经在国家层面稳步推进，日本也将实用化时间表提前到2030年代。韩国目前仍处于基础研究阶段，有舆论指出，从获取可再生能源的角度看，应更加积极地考虑加大研发投入。
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一直犹豫不决的航天强国，近期纷纷转向积极推进太空太阳能发电。英国能源安全大臣Grant Shapps在本月12日开幕的“伦敦科技周”上表示，将向太空太阳能发电研发投资总计430万欧元（约合60亿韩元）。这笔资金将平均分配给产学研各方，包括正在开发航天用超轻量太阳能电池板的剑桥大学、开发远距离无线电力收发系统的伦敦玛丽女王大学等。英国《卫报》报道称，Shapps大臣表示：“利用安装在卫星上的太阳能电池板发电并向地球传输电力的技术，具有极大潜力，可提升英国的能源安全”，“如果在这场新的太空竞争中获胜，英国就能改变电力供应方式，为下一代提供更加廉价、清洁且安全的能源”。
英国政府此次投资早有预兆。在2021年发布的官方报告中，英国政府分析认为，到2050年，每年可在太空生产并利用10吉瓦（GW）的电力，相当于目前英国整体电力需求的四分之一。产业带动效应预计将达数十亿英镑，还可创造约14.3万个就业岗位。为此，英国政府在去年3月组建了“太空能源倡议”（Space Energy Initiative）联盟，正在开发“CASSIOPeiA”太空太阳能发电卫星概念方案。其构想是在近地轨道发射4～5颗相对小型的发电卫星，以此节约成本并提高效率。
美国也终于开始行动。美国众议院科学、空间与技术委员会于本月14日一致通过修正案，建议在明年预算案中，将太空太阳能发电纳入美国国家航空航天局（NASA）与能源部（DOE）之间的核心研发合作课题清单。这是自20世纪70年代美国提出当前水平的太空太阳能发电构想以来，时隔50余年的首次举动。如果该修正案在众议院全体会议和参议院通过并最终确定，NASA等美国政府及研究机构的相关研究将实现正式化并全面展开。
事实上，美国的相关基础技术储备已相当可观，NASA和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）等机构已掌握大量原始技术。据悉，NASA与波音公司在10年前起就通过执行秘密任务的X-37B航天器，秘密开展太空电力无线收发相关研究。尤其是NASA曾在去年举行的国际太空发展大会（ISDC）上表示，已启动太空太阳能发电价值评估研究。该研究报告预计将在本月底或下月发布。
日本也在迅速行动。上月底，日本太空太阳能发电研究官民合作项目表示，最快将于2025年开发并发射用于太空电力收发试验的小型卫星。日本自2000年代起便着手开发相关原始技术。2015年，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）曾成功在50米以上距离，无线传输1.8千瓦电力并点亮一支电动蜡烛。日本政府计划在2030年代投资约70亿美元，发射1吉瓦级太空太阳能发电卫星，实现实用化。
走在最前面的是中国，已在国家层面积极推进。中国在去年完工的自主空间站“天宫”上，正推进至2028年前完成电力传输技术的演示与开发。计划到2035年，将一颗10兆瓦级卫星发射至3.6万公里高的地球静止轨道，并在2050年前实现2吉瓦级系统的实用化。此外，欧洲航天局（ESA）也在去年12月批准了“Solaris”计划，目标是在2040年前实现2吉瓦级太空太阳能电站的商业化。
太空太阳能发电不存在大气散射效应，可实现24小时连续发电，其效率比地球表面高出8倍以上。发电过程中不排放碳，通过无线电力收发，不仅能向地球，还能向月球、火星在无基础设施条件下输送电力。只要配备简单装置，就能随时随地获得源源不断的电力供应，也非常适合作为战场或灾区的紧急供电手段。最大的难题在于技术开发、效率与安全性以及成本。但这些问题的可行性正在不断提高，这也是各航天强国近期开始大举投资的原因。
近期，人类史上首次在太空中成功完成无线电力收发实验。加州理工学院在上月底表示，今年1月发射的太空太阳能发电演示卫星（SSPD-1号）已成功完成电力无线收发演示。卫星利用超轻柔性太阳能电池板产生电力，将其转换为微波，在卫星内部进行发射与接收，点亮了LED灯。同时还进行了向地球发送并接收微波的演示。这是该技术首次在真实太空环境中得以实现。
不过，收发效率仍是拦路虎。以当前技术水平，仅在将电力转换为微波的过程中，就会损失约40%的能量。韩国航空宇宙研究院（KARI）责任研究员Choi Junmin表示：“在穿越太空与大气层，或将微波再转换为电力的过程中，损失只有10%～20%，出乎意料地少”，“如果发射直径1公里的太空太阳能发电卫星，只需将接收天线面积做成约4平方公里即可”。他接着补充称：“最大课题是减少电力向微波转换时产生的大规模损耗，提高这一环节的效率。”
安全性问题其实并非巨大的挑战。在家用微波炉广泛使用的情况下，微波对人体是否有害尚未得到客观证实。即便存在风险，只要限制人员进入指定接收基地区域并配备防护装备，就足以应对。Choi责任研究员表示：“燃煤火力发电产生的细颗粒物谁也无法躲避，但微波只要避开指定区域即可，而且完全可以进行屏蔽”，“以纬度较高且天气条件不佳的韩国而言，以当前技术水平，太空太阳能发电可能是实现碳中和的最佳方案。”
成本问题则有望因可重复使用与大型火箭的出现而比预期更快得到缓解。要构建1吉瓦级太空太阳能发电卫星，至少需要运送约1万吨材料和设备。20世纪70年代，由于必须进行耗资巨大的数千次火箭发射，当时预计建设1千瓦级太空太阳能电站的成本最高可达1万亿美元。然而近来发射费用正在急剧下降。美国民营航天企业SpaceX的“猎鹰重型”已将当前每公斤发射成本降至1400美元左右。未来若每次可运载150吨货物的“星舰”（Starship）建成，成本将大幅降低。尤其是从长期看，如果美国设想的“月球门户”（Lunar Gateway）在地球近月轨道建成，并在月球上建起长期驻留基地及生产设施，那么建造太空太阳能电站等巨型结构所需的成本与时间有望实现革命性缩减。
韩国虽然仍处于初级阶段，但已掌握相当多的原始技术。韩国电气研究院（KERI）已启动无线电力收发开发，并成功在100米距离上发送4.8千瓦级电力；同时与韩国航空宇宙研究院（KARI，简称航宇研）共同设计了卫星无线电力收发系统，并在去年于法国巴黎举行的国际太空开发活动上进行了演示。尤其是其展示了能够精确捕捉高速移动目标并实现电力收发的精密技术，赢得了掌声。KERI与航宇研的目标是，在2029年前制造两颗小型卫星，在太空中进行电力收发技术演示。
但在国家层面，太空太阳能发电研发尚未正式启动。KERI责任研究员Lee Sanghwa表示：“在大功率半导体基础无线电力收发系统技术方面，韩国处于世界最高水平”，“我们一直在开发太空演示所需技术，目前也已经开始研究从卫星向地面传输电力的技术。”他同时指出：“由于预算不足，大容量化或卫星开发等实用化研究尚未展开”，“若要尽早实现商业化，就必须加大投资，并推动相关研究机构与研究人员之间的协同合作。”
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