中美爭霸第二戰看誰先建成太空太陽能發電站

一、中國積極發展天基太陽能發電而美國意興闌珊

   根據美國國家利益雜誌報導，上個月，美國航空暨太空總署(NASA)遲遲發布了天基太陽能報告，這是在COP26 、達沃斯世界經濟論壇和迪拜未來論壇上強調的革命性綠色能源概念，震驚了對NASA 重返太空領域的人士。所謂天基太陽能是指用太陽能衛星收集太陽能的軌道系統。太陽能被轉換成微波或激光，然後全天通過高頻無線電波無線傳輸到地球上的一個固定點。一旦到達地面，整流天線或整流天線會將電磁能轉換為電能，並將其輸送到電網供能源消費者使用。天基太陽能發電的主要優勢是其非常高的能量收集，且不受天氣或一天中時間的影響，可為衛星和生活在偏遠或受災地區的人們提供清潔、可靠和高效的能源。而根據俄羅斯衛星網報導，中國大陸二年前就已計劃在2028年建造世界上第一個天基太陽能發電站，中國將發射一顆衛星測試從太空到地面400公里的無線電力傳輸技術。該衛星將把太陽能轉化為微波或激光，並將能量光束定向到各種目標。據美國《太空新聞》報導，中國空間技術研究院開展的太空太陽能發電技術實驗，可能成為清潔能源劃時代的突破，也是中國擴大世界影響力的工具。中國將於2035年建設一座10MW的發電站，最終在2050年建成一個2GW的發電站。這個電站將有1公里寬的巨大太陽能電池板，這意味著需要具備在太空組裝大規模基礎設施的能力，中國能獨立建設空間站已具備組裝技術，依據南華早報報導，中國的天宮空間站在太陽能電站項目中發揮關鍵作用，為高壓電氣設備提供測試平台，助力超大型結構組裝。中國的空間站將加入從太空收集太陽能並將其以高能微波束的形式發送到地球的項目。中國的西安電子科技大學已經建成了一個空間太陽能發電站的地面驗證系統，據《太空新聞》報導，這一驗證系統突破並驗證了高效率聚光與光電轉換、微波轉換、微波發射與波形優化、微波波束指向測量與控制、微波接收與整流等多項關鍵技術。如果中國成功實現空間太陽能發電，它將獲得許多優勢:(1)中國將成為綠色能源技術的領導者(2)發展此類技術將使中國成為一流航天大國(3)空間太陽能相關產業將使中國在相關領域佔據主導地位。最後，空間太陽能發電站將成為“一帶一路”倡議的重要組成部分，該倡議旨在通過基礎設施投資將中國與大部分發展中國家聯繫起來。

    反觀美國2022 年國際太空發展會議的研究反映出美國航天局目前缺乏建設天基發電站的雄心。2021 年，白宮的氣候變遷長期策略設定了2050年實現淨零排放的目標。然而，NASA報告的天基太陽能發電開始日期已超過時限顯得不受重視。該報告也沒有回應拜登政府的二十一世紀工業戰略旨在“振興我們的製造業基礎，加強關鍵供應鏈，並使美國工人和企業在 21 世紀處於全球競爭和領先地位”。該報告沒有面提出任何建議。同樣，美國也無法透過專門的計畫和資金線來發揮領導作用來開發太空太陽能及其支援技術。該報告也沒有提供對抗中國太空太陽能計劃的選項，該計劃計劃在幾年後進行演示和測試。美國太空總署的報告與自己的月球到火星基礎設施目標脫節。與歐洲太空總署不同，歐洲太空總署在可視化月球大本營和太空太陽能之間的聯繫方面做了出色的工作，NASA的研究並未考慮與美國主導的重返月球計畫《阿耳忒彌斯協議》的統一協調。NASA 也沒有試圖實現國家地月戰略中概述的目標，即“利用與私人實體的合作，實現月球大規模 ISRU和先進製造的能力”，以促進太空經濟。結果是一項令人震驚的、毫無雄心的研究，NASA沒有為美國政府塑造在太空未來問題上發揮領導作用提供明確的選擇。

二、天基太陽能發電站是中美博弈除登月外第二戰場

   美國國家利益雜誌稱從太空獲取太陽能是美國本世紀應該做的改變世界的賭注，對於那些無充分土地發展太陽能的小國，他們將目光放到了太空，準備發展天基太陽能。天基太陽能所面臨的最重要的問題之一，就是如何將電由太空輸送到地面？2023年6月，美國加州理工學院發射的一顆試驗衛星已將微波束的能量成功導向太空中的目標，甚至還將一部分能量發送到了地球表面的接收器上，該實驗增強了人們對天基太陽能的信心。其實，中國科學家早在2018年就已啟動了逐日計劃，該計劃就是在太空建造一座太陽能發電站。2021年，中國就已經開啟了空間太陽能發電站的測試研製工作。未來中國可能將是世界上第1個建成空間太陽能發電站的國家。由於地球大氣層的阻擋和吸收，太空中所能接收到的太陽輻射比地面強上許多，因此天基太陽能發展前景良好。只不過利用微波無線輸電會損失一部分能源，並且要將大量的光伏板送入太空進行組裝，從技術上雖然是個可以實現的，但發射維護成本仍然不容小覷，要在太空建造一座太陽能發電站，前期投資定是非常巨大。天基太陽能在大氣外層空間捕獲太陽能，消除了地球表面太陽能間歇性的許多因素。商業航天領域的不斷發展使得火箭發射成本迅速降低，太空中的太陽能量約是地球表面的八倍，因為它不需要穿過大氣層，不受雲層阻擋，也不會經歷夜間。如果這種太陽能可以被收集並發射回地球，即使用長波長微波，地面市場就可以獲得大量的清潔能源。

   在中美大國博弈的戰場上少不了天基太陽能的開發，中國空間站達到100噸，其供電需求已超過10000瓦。中國考慮建設一個空間太陽能電站，將擁有千兆瓦級的發電能力。1968 年，美國航空航天工程師彼得·格拉澤正式提出了在太空建立太陽能發電系統的建議。太空電站開發和評估的可行性研究在美國、英國、歐洲航天局以及日本和韓國等國家和航天機構中越來越受歡迎。中國已在天基太陽能關鍵技術上取得了突破，這將有助於推進中國“雙碳”目標和建設航天強國。太陽能在地面易受到天氣、時段影響，很不穩定，但太空中的太陽能卻非常充裕。如果人類能在太空中建造太陽能發電站，則電動汽車將可隨時隨地充電非常方便。如果在3.6萬公里高度的地球同步軌道上建設太陽能電站，太陽光不會被大氣削弱，也不受季節、晝夜變化影響，99%的時間內可穩定接收太陽輻射，且其強度是地面的6倍以上。與化石能源相比，太空太陽能是一種高效、持久、清潔的能源。太空太陽能電站可以無線方式將電能穩定傳輸到地面電網。太空太陽能發電站還可為宇宙飛船供電，使航天器擺脫巨大的太陽能板。中國自2008年起就將太空太陽能發電站研發工作納入國家先期研究規劃。近年來，提出了平台非聚光型、二次對稱聚光型、多旋轉關節以及球型能量收集陣列等空間太陽能電站方案，同時在無線能量傳輸等關鍵技術方面取得了重要的進步。2019年，中國首個空間太陽能電站實驗基地在重慶啟動建設，名為“逐日工程”的空間太陽能電站系統項目也在西安電子科技大學啟動。中國在重慶西部建設了首個天基太陽能電站實驗基，該基地將重點進行空間太陽能發電站、無線微波傳能以及空間信息網等技術的模擬及驗證。與此同時，在重慶700公里之外的西安，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶岩團隊也在開展空間太陽能發電相關試驗。中科院院士葛昌純指出，中國可再生能源開發規模居世界首位，但由於可再生能源的不穩定性，實際發電量占比僅為23.6%。但太陽光在太空中不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化影響，可以通過無線能量傳輸方式向地面提供連續、穩定的清潔能源。

三、空間太陽能電站的難點

   中國的太空太陽能發電站將距地面3.6萬公里，位於地球同步軌道上屬高軌道。太空發電站的關鍵在於將電從太空以無線的方式穩定地傳輸到地面電網，因此大功率、遠距離無線傳能技術的突破是一個必須跨越的難關，這些技術都要先在浮空平台上做試驗。目前，空間太陽能電站的遠距離無線能量傳輸載體有微波和雷射兩種解決方案，微波的能量傳輸效率更高，雲層穿透損耗低，安全性較好，且技術相對成熟，因此現行方案多以微波傳輸為主。空間太陽能電站的第二個難點是如何將電站組件發射到3.6萬公里高度的地球同步軌道上。長期運行的安全性也是重要問題。首先是設備在太空中的運行安全問題，其次是微波輻射下對生態、大氣、生物體等的影響問題。隨著璧山基地開工，中國探索空間太陽能發電技術也算是邁出實質性一步。據《中國科學報》報導，考慮到目前的技術水平及條件受限，直接在3.6萬公里的同步軌道做試驗還不現實，將先在平流層建立起一個簡單的太陽能電站。根據其計劃，第一步先將氣球放到300米低空開展試驗；下一步再讓氣球升到2千米高空；最後，才會將氣球平台升入平流層中。在組件發射方面，璧山基地將使用太空製造技術。太空製造不僅包括太空組裝技術，還包括太空3D列印技術。在太空3D列印技術的加持下，材料能做到極度輕量化，才可能實現利用火箭將它們送往太空。

   事實上，20世紀70年代，美國政府投入約5000萬美元對此進行研究。但美國國家研究委員會和國會評價委員會評審認為，該方案技術上可行，但經濟上無法實現。但近年來，美國關於空間太陽能發電的想法逐漸復甦。據NASA披露，X-37B將為美國空軍學院部署小型FalconSAT-8衛星。該衛星攜帶八個實驗項目，其中包括為海軍研究實驗室進行的一項研究無線電力傳輸的實驗。報導指出，太空太陽能發電技術的潛在應用範圍已從電力供應擴展到軍事用途。其實日本在微波無線能量傳輸技術研究上一直處於世界領先水平，但目前在許多技術強國的發展路線圖中，日本已經落後，2015年，日本研究人員進行了55米距離的微波無線能量傳輸實驗，驗證了基於5.8GHz頻率、固態源和相控陣系統的傳輸，然而，日本的測試系統仍然不是一個完整的環節，缺乏從光到電的過程，日本的技術優勢集中在從發射天線到接收天線的鏈路上。而中國西安電科大建設的地面驗證系統是一個全鏈路的全系統系統，實現了從跟踪太陽、聚光、光電轉換、微波發射到微波接收和整流的全過程。