天基太阳能电池板的承诺

地球上没有哪个地方的阳光像地球同步轨道那样明亮，那个位于 22,236 英里高空的“停车场”，卫星可以全天候、每天 24 小时稳定地看到地球的同一个区域。

放置在高空之上，太阳能电池板可以接收到比地面正午阳光强 35% 到 70% 的光线。在高轨道上，没有云层遮挡，没有暮光，没有微弱的冬日阳光。一个设计巧妙且位置得当的太阳能卫星可以避免夜间的阴影，每年只有 44 小时例外，因此无需储存能量即可几乎连续地保持电子流动。

总而言之，太空中的先进光伏电池每年可以提供高达 40 倍的可靠 24/7 能源，而同样的电池在地面上产生的能量是这个数值。

自 20 世纪 60 年代以来，充满幻想的物理学家们一直在赞美恒星能源的潜力，它还有一个更朴实的名字：天基太阳能，或 SBSP。他们已经绘制了将这些能源从轨道输送到电网的初步设计——这无疑是一项巨大的工程挑战，但现在已经有了可行的解决方案。他们未能做到的就是让它变得负担得起。

空间科学家们已经粗略设计了几种不同类型的恒星能源发电站。有些看起来像是地面太阳能发电场的轨道版本，具有延伸数英里的平板光伏阵列。NASA 的一项设计，由前 NASA 物理学家 John Mankins 提出，名为 SPS-Alpha，它将薄膜反射镜排列成钟形，可以从几乎任何角度将阳光重定向到一个较小的光伏阵列上。

轨道阵列产生的电流可以通过两种形式之一发送到地球。它可以转换为宽红外激光束，或者可以作为更宽的微波锥传输下来，正如 Mankins 指出的那样，微波可以不受阻碍地穿过云层。无论哪种情况，卫星都会将发射器对准地面上的大型接收站。（见下页。）为了确保安全，光束的强度不会超过正午的阳光，并且会有一个反馈信号使其不会偏离目标。

正如 Mankins 在其 2014 年的著作《天基太阳能的理由》中所指出的那样，轨道发电站将利用几乎无限的免费燃料供应。发射后，它们唯一的废物排放将是热量，这会带来棘手的技术问题，但不会对环境造成影响。而且太空中的太阳能发电站需要的日常维护要比地面上的少得多。尽管商业规模的能源卫星会非常庞大且难以在轨道上建造——主要由机器人进行组装——但它们几乎没有移动部件，并且可以使用数代。

NASA、美国能源部和国防部、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA)、一些公司和一群学术科学家都对恒星能源技术进行了深入研究，并得出结论，从技术角度来看，它是可行的。

然而，有一个障碍似乎是不可逾越的：将高达 10,000 吨的组件运送到地球同步轨道的成本。今天的火箭不可重复使用，这使得它们非常昂贵——目前将每公斤有效载荷送入低轨道的成本约为 4,600 美元——以至于将太阳能模块部署到太空的经济效益根本不划算，即使模块使用太阳能电力推进将自身提升到最终轨道。Mankins 估计，要使恒星能源与其他类型的可再生能源竞争，这些成本需要降至每公斤约 400 美元。火箭发射的频率也需要大大提高。建造一个大型发电站每年需要数百次发射。

价格降低十倍和发射频率提高数倍听起来可能有些异想天开。但是 SpaceX，一家其猎鹰火箭目前为国际空间站提供补给的私营公司，最近宣布了雄心勃勃的计划来实现这一目标。该公司设计了一种可重复使用的助推器，它相信该助推器能够返回地球，稳稳地落在地面上，并在几周内再次起飞。该公司的胆大妄为、亿万富翁创始人埃隆·马斯克表示，当火箭可以像飞机一样重复使用时，发射成本将下降高达 99%。

一月份，首次尝试在将猎鹰火箭送入轨道后着陆，结果险些成功并发生爆炸。但在四月份的一次较近期的测试中，火箭垂直返回了正确的坐标。（它着陆了，但随后在强风中倾覆。）马斯克已发誓要完善这一过程。

他还似乎将目光投向了近乎每日的发射。这是他一月份宣布的计划的关键，该计划旨在从 2020 年左右开始，用 4,000 颗通信卫星覆盖地球——这比目前在轨卫星的数量多两倍多。马斯克对天基太阳能的兴趣不大；他的目标是在太空中重建互联网骨干。但如果 SpaceX 成功开发出其可重复使用的火箭并按计划提高发射率，它“可以降低发射成本，使 SBSP 具有成本竞争力，”JAXA 恒星能源项目资深人士 Susumu Sasaki 表示。

纽约大学物理学名誉教授、长期倡导恒星能源的 Marty Hoffert 认为，较低的发射成本是必要的一步，但投资者不会对一项未经证实但可能带来快速利润的技术进行大手笔投资。“你仍然需要一条演进之路，有看起来可控的前期成本，并且可以看到一个商业计划正在出现，”Hoffert 说。

近期历史让投资者保持谨慎。2009 年，一家名为 Solaren 的初创公司赢得了一个备受瞩目的合同，从 2016 年开始向加州最大的公用事业公司提供 200 兆瓦的太空能源。Space Energy，另一家初创公司，当时也引起了很多关注。但两家公司都未能达到其雄心勃勃的时间表，并已销声匿迹。

然而，SPS-Alpha 的设计师 Mankins 却持乐观态度。他相信他有一个可行的商业计划：整合天基太阳能和通信能力。这些将不是马斯克计划部署的低轨道卫星，而是每年发射的地球同步卫星，用于转发电视、广播和电话信号。

“我们可以制造一个非常小型的 SPS-Alpha 版本，并在发射前稍微修改发射器，以发送无线电信号而不是微波束。这样，发电站就成了一个高功率通信卫星，”他说道，其功率可能达到兆瓦级别。他表示，它的带宽可以提高 10 到 50 倍，从而产生更多收入，但成本仅比标准卫星略高。Mankins 已经吸引了投资者，并最近成立了一家初创公司，试图向 DirecTV 或 Verizon 等客户销售这一想法。

这些下一代卫星将同时提供资金和实际的工程经验，以进一步开发天基太阳能。对于全球能源生产来说，这可能看起来是微小的一步，但对于恒星能源来说，这将是巨大的飞跃。

[本文最初以“恒星能源”为标题刊登于印刷版。]