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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來(lái)源：Getty Images

撰文：Penn

編輯：小雨

→這是《環(huán)球零碳》的1769篇原創(chuàng)

遠(yuǎn)程無(wú)線電力傳輸聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)中的經(jīng)典橋段。想象一下，如果電力可以在沒(méi)有電纜的情況下到達(dá)任何地方，那我們將擁有一個(gè)怎樣的世界。

早在1890 年的時(shí)候，尼古拉·特斯拉就曾嘗試用 140 英尺的線圈，為兩英里外的燈泡進(jìn)行“無(wú)線供電”。遺憾的是，這次實(shí)驗(yàn)以造成小鎮(zhèn)意外停電而告終。

1941年，美國(guó)科幻小說(shuō)大師艾薩克·阿西莫夫在其短篇小說(shuō)《理由》中，描述了一個(gè)人類從太空中獲取太陽(yáng)能的世界。巨大的軌道太陽(yáng)能電池板通過(guò)無(wú)線電波將可再生的能源傳回地球。

1968年，在進(jìn)行微波能量傳輸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，彼得·格拉澤博士在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章，正式提出“太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星”概念：通過(guò)將兩顆衛(wèi)星送入地球靜止軌道，保證至少有一顆衛(wèi)星被太陽(yáng)照射，另一顆衛(wèi)星進(jìn)行能量傳輸；開(kāi)啟了人類研究開(kāi)發(fā)利用空間太陽(yáng)能的新紀(jì)元。

空間太陽(yáng)能電站的核心問(wèn)題在于“聚、傳、建”3個(gè)方面，以目前的技術(shù)能力進(jìn)行建設(shè)，難度較大。因此，空間太陽(yáng)能電站尚處于研發(fā)階段。

幾十年來(lái)，人們對(duì)這一概念的興趣時(shí)而高漲，時(shí)而低落。然而，近年來(lái)，人們開(kāi)始認(rèn)真探索能量傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用。阿西莫夫筆下那些巨型能量收集站至少還需要幾十年才能建成，但工程師們正致力于小規(guī)模的能量傳輸，實(shí)驗(yàn)將能量從一艘航天器傳輸?shù)搅硪凰液教炱鳌?/p>

近日，美國(guó)初創(chuàng)公司Star Catcher Industries就創(chuàng)造了一個(gè)遠(yuǎn)距離無(wú)線電力傳輸?shù)男录o(jì)錄。該公司利用其Star Catcher Network技術(shù)，采用現(xiàn)成的太陽(yáng)能電池板組件，向位于佛羅里達(dá)州的NASA肯尼迪航天中心傳輸了1.1千瓦的電力。

圖說(shuō)：Star Catcher 創(chuàng)造了遠(yuǎn)距離無(wú)線電力傳輸?shù)男录o(jì)錄

來(lái)源：Star Catcher

太空太陽(yáng)能電站也稱為天基太陽(yáng)能（SBSP），它的概念其實(shí)非常簡(jiǎn)單。具體來(lái)說(shuō)，是通過(guò)在地球軌道上建立太陽(yáng)能電站，去收集太陽(yáng)能并以無(wú)線能量傳輸方式、持續(xù)向地面供電的發(fā)電系統(tǒng)。

其主要優(yōu)勢(shì)在于，晝夜、天氣、地區(qū)緯度等因素，都不會(huì)影響到空間太陽(yáng)能電站。此外，太空中更高的光照強(qiáng)度，也使天基太陽(yáng)能板單位面積發(fā)電效率遠(yuǎn)超地面，從而節(jié)約大量土地資源。美國(guó)國(guó)家航空航天局最近的一項(xiàng)研究甚至預(yù)測(cè)，一種天基太陽(yáng)能模型能在一年99%的時(shí)間內(nèi)發(fā)電。

同時(shí)，天基太陽(yáng)能具備高度靈活的調(diào)度能力。每顆衛(wèi)星可覆蓋地球1/4的區(qū)域，幾乎能實(shí)現(xiàn)洲際電力的瞬時(shí)傳輸，猶如太空中一座高效的“能源互聯(lián)樞紐”。由于意義重大，國(guó)際上將此類項(xiàng)目稱為能源領(lǐng)域的 “曼哈頓工程” 。

據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，隨著發(fā)射成本下降與規(guī)模化制造技術(shù)的進(jìn)步，天基太陽(yáng)能在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面已具備可行性，有望成為一種豐富且可持續(xù)的新能源。當(dāng)然，要將這一愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，仍需克服一些關(guān)鍵技術(shù)障礙，例如進(jìn)一步降低發(fā)射成本、提升向地球傳輸電力的效率等。

圖說(shuō)：Star Catcher的太空電網(wǎng)構(gòu)想

來(lái)源：Star Catcher

空間太陽(yáng)能電站的核心問(wèn)題在于“聚、傳、建”3個(gè)方面。所謂“傳”，主要研究采用哪種傳輸方式。作為空間太陽(yáng)能電站的核心技術(shù)，無(wú)線能量傳輸就成了科研成員關(guān)注的重點(diǎn)。

無(wú)線能量傳輸主要包括微波無(wú)線能量傳輸和激光無(wú)線能量傳輸。Star Catcher 并非產(chǎn)生微波，而是利用太陽(yáng)能電池板陣列為光學(xué)多光譜激光器供電，該激光器可以對(duì)準(zhǔn)客戶衛(wèi)星。這些經(jīng)過(guò)精心控制的波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠與目標(biāo)太陽(yáng)能電池板的波長(zhǎng)完美匹配。

簡(jiǎn)而言之，這就像用一個(gè)巨大的放大鏡觀察目標(biāo)航天器，無(wú)需擴(kuò)大或改造面板，就能大幅提高其效率。據(jù)該公司稱，使用現(xiàn)成的面板組件，發(fā)電量可提高2到10倍。

此次最新的測(cè)試采用了多種太陽(yáng)能電池板設(shè)計(jì)，為計(jì)劃于 2026 年進(jìn)行的軌道演示做準(zhǔn)備。

“我們現(xiàn)有的購(gòu)電協(xié)議證實(shí)，市場(chǎng)認(rèn)可我們技術(shù)的價(jià)值和可擴(kuò)展性，它能夠徹底改變地球以外的電力輸送方式，”Star Catcher首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人安德魯·拉什表示。“這些實(shí)際成果確鑿地證明了我們構(gòu)建彈性軌道電網(wǎng)方案的合理性和成熟度。”

圖說(shuō)：激光功率中繼器運(yùn)行中的概念圖

來(lái)源：DARPA

除了Star Catcher，也有其他研究機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域進(jìn)行積極探索并取得了新的成果。2025年6月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）就創(chuàng)下了800 瓦的激光束發(fā)射功率紀(jì)錄。

DARPA 的 POWER 計(jì)劃旨在構(gòu)建光傳輸線，讓激光束像我們現(xiàn)在通過(guò)空氣傳輸數(shù)據(jù)一樣輕松地將電力傳輸?shù)叫枰牡胤健?/p>

此前，POWER系統(tǒng)能夠利用激光將230瓦的功率照射到1英里（1.7公里）的距離上，持續(xù)25秒；還能以較低的功率照射到2.3英里（3.7公里）的距離上，但具體功率尚未公開(kāi)?，F(xiàn)在，DARPA已成功將功率提升至800瓦，持續(xù)30秒，照射距離達(dá)到5.3英里（8.6公里）。

該系統(tǒng)的核心部件是功率接收陣列演示裝置（PRAD），它是一個(gè)球形結(jié)構(gòu)，帶有一個(gè)緊湊的孔徑，激光束由此進(jìn)入。激光束照射到一個(gè)拋物面鏡上，拋物面鏡散射光線并將其照射到數(shù)十個(gè)光伏電池陣列上。這些光伏電池將激光轉(zhuǎn)換回電能。

測(cè)試中，發(fā)射器和接收器都放置在地面上。然而，最終目標(biāo)是將它們改造成安裝在高空飛行無(wú)人機(jī)上的中繼器，以便將能量定向輸送到所需位置。通過(guò)將光束發(fā)送到大氣層最稠密區(qū)域之上，可以減少能量損耗，并避開(kāi)建筑物、飛機(jī)和鳥(niǎo)類等障礙物。

圖說(shuō)：太空太陽(yáng)能發(fā)電示意圖

來(lái)源：Space Energy Initiative

目前該項(xiàng)目正處于三階段研發(fā)計(jì)劃的第一階段，致力于研究如何最精確、最高效地控制功率輸出，校正光束波前以保持信號(hào)質(zhì)量，使系統(tǒng)可進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，并降低中繼器的轉(zhuǎn)換損耗。

最終第三階段的目標(biāo)是將中繼器安裝在常規(guī)飛機(jī)上，使其能夠在200公里（125英里）的距離內(nèi)傳輸10千瓦的光能。

“這次演示打破了人們對(duì)能量傳輸技術(shù)局限性的誤解，并且已經(jīng)促使業(yè)界重新想象各種可能性，”POWER 項(xiàng)目經(jīng)理保羅·賈菲說(shuō)道。

從太空向地球傳輸太陽(yáng)能，是科學(xué)家們近幾十年一直在討論的話題，在技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)下，其成為現(xiàn)實(shí)的路徑正逐漸顯現(xiàn)。在這樣的背景下，天基太陽(yáng)能（SBSP）或?qū)⒊蔀橐粭l通往真正清潔、富足能源未來(lái)的新路徑。

參考材料：

[1]https://newatlas.com/energy/star-catcher-power-beaming-record/

[2]https://newatlas.com/military/darpa-sets-new-records-sending-power-without-wires/

[3]http://www.81.cn/jfjbmap/content/2021-12/10/content_304948.htm

[4]https://www.mittrchina.com/news/detail/9712

[5]http://finance.people.com.cn/n1/2025/1104/c1004-40596166.html

[6]http://www.casisd.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2024/kjqykb2403/202404/t20240411_7090233.html

[7]https://www.weforum.org/stories/2025/10/space-based-solar-power-energy-transition/

[8] https://www.modernweekly.com/hots/39811

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