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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

圖片來源：Unsplash

撰文 | 小明

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的第1792篇原創(chuàng)

我們常用“星辰大海”形容人類對于未來的夢想和憧憬，而這也是能源領(lǐng)域正在發(fā)生和演繹的故事。

“大?！钡墓适虏挥枚嗾f，已經(jīng)持續(xù)了幾百年，“星辰”的故事則剛剛開始。

一場圍繞“太空算力”與“太空能源”的新競賽最近正在全球升溫。

中國、美國、歐洲等主要國家和地區(qū)，都在紛紛布局太空數(shù)據(jù)中心、軌道級巨型光伏電站與空間無線輸電項目，試圖在下一代AI算力體系中占據(jù)優(yōu)勢。

11月27日，北京召開“智繪星空 勝算在天——太空數(shù)據(jù)中心建設(shè)”工作推進會，擬在700-800公里晨昏軌道建設(shè)運營超過千兆瓦功率的集中式大型數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)。

美國科技巨頭也動作頻頻：特斯拉創(chuàng)始人馬斯克表示，隨著星艦的問世，大規(guī)模部署太陽能人工智能衛(wèi)星成為可能。這也是馬斯克所認為的，實現(xiàn)“每年1太瓦（1TW）人工智能算力”的重要路徑，并定下了“4-5年通過星艦完成每年100GW數(shù)據(jù)中心部署”的目標。

英偉達則首次將H100GPU送上太空，搭載在初創(chuàng)公司Starcloud的Starcloud-1衛(wèi)星上。

谷歌啟動了“太陽捕手計劃”，計劃在2027年初發(fā)射兩顆搭載TPU芯片的原型衛(wèi)星。

然而，能源正成為懸在算力頭頂?shù)倪_摩克利斯之劍。國際能源署預(yù)計，在人工智能的驅(qū)動下，到2030年，全球數(shù)據(jù)中心的電力需求預(yù)計將比2024年增加一倍以上。

蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達舍夫按照能源利用能力，將文明劃分為Ⅰ型（掌控行星能源）、Ⅱ型（收集恒星系統(tǒng)能量）和Ⅲ型（控制銀河系能源）三個等級。最新評估顯示，人類文明還處于I型，僅0.73級左右。

雖然人類還不能完全掌控地球上的能源，但是收集和利用恒星能源已經(jīng)提上日程，涉及兩個層面：

從太空發(fā)電看，目前廣泛采用的砷化鎵（GaAs）太陽能電池面臨高成本難題，亟待尋找更具性價比的方案；

從太空輸電看，太空發(fā)電通過無線技術(shù)傳送到地球，突破了地理和氣候的限制，將引發(fā)能源革命。

01

“天數(shù)天算”

算力的背后是能源，“太空發(fā)電”正成為“太空算力”競爭的決勝因素。

“太空算力”是指將計算資源部署在太空中，通過衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)的處理、分析和決策，進而實現(xiàn)“天數(shù)天算”，甚至“地數(shù)天算”。

相比地面，“太空算力”具有部署靈活、散熱高效等優(yōu)勢，能突破占地、帶寬等限制，提高數(shù)據(jù)處理效率的同時，降低通信時延。

太空算力示意圖，引自之江實驗室

“太空算力”的未來是美好的，但不得不面對能源困局的現(xiàn)實。

由于太空無法接入地面電網(wǎng)，光伏是能源供給的最重要方式。目前，太空能源的主力是砷化鎵（GaAs）太陽能電池，以其高轉(zhuǎn)化效率、耐輻射等特性，廣泛應(yīng)用于航天器、空間站等領(lǐng)域。

但砷化鎵制備的原料稀缺、工藝復(fù)雜，導(dǎo)致價格昂貴，素有“半導(dǎo)體貴族”之稱。公開資料顯示，“天和”核心艙134平方米的砷化鎵太陽翼，成本高達1.67億元，折合125萬元/平米，比硅基電池貴幾十倍，顯然無法滿足“太空算力”大規(guī)模部署的要求。

天和核心艙大型柔性太陽能電池翼示意圖，引自中國載人航天

晶硅電池是當(dāng)前地面電站的主流，但在AM0（太空環(huán)境）下效率僅為14-18%，遠低于砷化鎵30%的光電轉(zhuǎn)換效率；抗輻射性能差，太空環(huán)境中效率衰減快，并不適合在太空中使用。

鈣鈦礦電池作為新一代太陽能電池技術(shù)的代表，兼具砷化鎵電池的高效率、耐輻射特性和晶硅電池的低成本優(yōu)勢，成為太空應(yīng)用的理想選擇。

近年來，我國鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化進程加速，量產(chǎn)線邁入GW級新階段，光電轉(zhuǎn)換效率屢屢刷新。更重要的是，鈣鈦礦電池可與晶硅電池結(jié)合形成鈣鈦礦-晶硅疊層電池，理論效率可達43%。

引自中國光伏行業(yè)協(xié)會

此外，核能在太空能源供給中也占據(jù)著重要位置。

今年5月，中國國家航天局與俄羅斯國家航天集團簽署了《關(guān)于共建月球核電站的合作備忘錄》，為兩國共建的、將于2036年完工的國際月球科研站提供能源支撐。

三個月后，美國宣布計劃在2029年底前將一座100千瓦級核反應(yīng)堆發(fā)送至月球，希望在新一輪太空競賽中搶占先機。

02

“天電地用”

“太空輸電”是指將太空中發(fā)的電，通過無線能量傳輸技術(shù)（微波、激光等）傳送到地球。

聽起來有些科幻，因為這個想法正源于科幻小說。

1941年，美國科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫在短篇小說《Reason》中描述過這一場景：利用空間站的電池板捕捉太陽能后，通過微波光束將其傳輸?shù)礁鱾€行星。

太空輸電示意圖，引自科普中國

相比地面光伏電站，“太空輸電”可以避免太陽能電池“看天吃飯”以及大氣層對陽光的削弱作用，大幅提升發(fā)電效率。據(jù)估算，太空中同樣面積的太陽能電池板的發(fā)電量是地面的幾十倍。

近年來，“太空輸電”競賽持續(xù)升溫。

美國太陽能初創(chuàng)公司Aetherflux計劃在2026年發(fā)射首個低地球軌道示范衛(wèi)星，將太陽能直接收集，并通過激光傳輸?shù)降厍蛏系摹暗孛嬲尽?，實現(xiàn)人類首次從太空向地球傳輸電力，現(xiàn)已融資6000萬美元，并得到美國軍方的支持。

英國Space Solar公司計劃在3.6萬公里高空打造直徑1.8公里的“仙后座”空間站，利用數(shù)百萬顆覆蓋太陽能電池板的衛(wèi)星來收集太陽光，通過約10億個天線向地球傳輸能量，獲得了英國政府的資助。

歐洲空間局于2023年1月啟動了SOLARIS預(yù)先研發(fā)計劃，計劃在三年內(nèi)投入6000萬歐元，專注于太陽能電池、能量轉(zhuǎn)換器、空間機器人等核心技術(shù)的研發(fā)，為未來的在軌驗證奠定基礎(chǔ)。

中國的空間太陽能電站系統(tǒng)項目叫“逐日工程”，規(guī)劃分“三小步”（地面/浮空試驗、空間電能管理、天地?zé)o線能量傳輸試驗）和“兩大步”（MW級試驗驗證、GW級商業(yè)電站），目標是到2030年，把兆瓦級的試驗電站送到地球同步軌道；到2050年，建成可以商用的吉瓦級電站。

除了能源的“天地傳輸”，“天天傳輸”也在探索，可以視為“天電地用”的容易版本。

2025年11月，美國Star Catcher公司用1.1千瓦激光束，將能量精準傳輸?shù)綌?shù)百米外的光伏陣列，打破了今年6月美國國防高級研究計劃局（DARPA）創(chuàng)下的800瓦的激光束發(fā)射功率紀錄。

這項技術(shù)可以滿足軌道側(cè)用電需求：通過聚光系統(tǒng)捕捉太陽能，然后通過高精度的波束將電力直接傳輸給衛(wèi)星。通過這種“太空對太空”的能源中繼，衛(wèi)星可以擺脫沉重的電池板，將更多的質(zhì)量分配給有效載荷。

不管是穿越大氣層輸電還是“太空對太空”送電，均面臨著成本挑戰(zhàn)。根據(jù)2024年NASA評估報告，太空發(fā)電站的發(fā)電成本高達0.6億美元/度，是地面太陽能電站的12~80倍，主要貴在火箭發(fā)射。

此外，規(guī)?；渴鹛瞻l(fā)電設(shè)施將帶來軌道擁擠問題和碎片碰撞風(fēng)險，無線能量傳輸技術(shù)也面臨著前所未有的監(jiān)管挑戰(zhàn)。

03

結(jié)語

當(dāng)商業(yè)航天發(fā)展與全球能源轉(zhuǎn)型在近地軌道實現(xiàn)歷史性交匯，太空能源開發(fā)利用的烏托邦式美夢正一步步照進現(xiàn)實，為全球可再生能源發(fā)展開創(chuàng)了新賽道。雖然還面臨著眾多待解難題，但技術(shù)進步的速度總是超乎人們的想象。

當(dāng)能源發(fā)展走向“星辰大?！?，人類逐漸掌握了卡爾達舍夫I型文明大門的鑰匙，正向Ⅱ型文明的“殿堂”邁進。

參考資料

[1]中信證券.太空算力走向現(xiàn)實，鈣鈦礦料將迎來新機會.2025-12-02.

[2]新浪財經(jīng).隔空“來電”！太空光伏革命開啟.2025-11-18.

[3]環(huán)球零碳. 關(guān)稅鬧劇下，中國光伏突圍之路在哪里？2025-04-14.

[4]科普中國.太空太陽能發(fā)電技術(shù)的星辰征途.2025-06-03.

[5]上觀新聞. 怕“太空競賽2.0”輸給中俄？美國要在5年內(nèi)向月球發(fā)送核反應(yīng)堆.2025-10-15.

[6] 鳳凰網(wǎng). 軌道能源互聯(lián)網(wǎng)的黎明：太空太陽能從科幻宏大敘事轉(zhuǎn)向商業(yè)實用.2025-12-01.

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