太空中的太阳能电站可能是我们能源需求的答案

这听起来像是科幻小说：巨大的太阳能发电站漂浮在太空中，将巨大的能量辐射到地球上。长期以来，这一概念(最初由俄罗斯科学家Konstantin Tsiolkovsky于1920年代提出)主要是对作家的启发。

然而，一个世纪后，科学家在将这一概念变为现实方面取得了巨大进步。欧洲航天局已经意识到了这些努力的潜力，现在正寻求为此类项目提供资金，并预测我们将从太空获得的第一种工业资源是“束流发电”。

气候变化是我们这个时代最大的挑战，因此存在很多风险。从全球气温升高到天气模式转变，全球已经感受到气候变化的影响。克服这一挑战将需要彻底改变我们产生和消耗能量的方式。

近年来，可再生能源技术得到了飞速发展，具有更高的效率和更低的成本。但是，吸收它们的一个主要障碍是它们不能持续提供能量。风力发电场和太阳能发电场仅在刮风或晒太阳时才产生能量，但我们每天都需要全天候供电。最终，我们需要一种能够大规模存储能量的方法，然后才能转向可再生能源。

解决这个问题的一种可能方法是在太空中产生太阳能。这有很多优点。一个天基太阳能发电站可以一天24小时面向太阳运行。地球的大气层也吸收并反射一些太阳光，因此大气层上方的太阳能电池将接收更多的阳光并产生更多的能量。

但是要克服的主要挑战之一是如何组装，发射和部署如此大的结构。单个太阳能发电站可能必须高达10公里的面积相当于1400个足球场的平方。使用轻质材料也将至关重要，因为最大的支出将是将火箭发射到太空的费用。

一种建议的解决方案是开发成千上万个较小的卫星，这些卫星将聚集在一起并配置为一个大型的太阳能发电机。2017年，加利福尼亚理工学院的研究人员概述了模块化电站的设计，该电站由数千个超轻太阳能电池砖组成。他们还展示了一种原型瓷砖，每平方米的重量仅为280克，与卡片的重量相似。

近来，也正在针对这种应用关注诸如3-D打印的制造方面的发展。在利物浦大学，我们正在探索将超轻型太阳能电池印刷到太阳帆上的新制造技术。太阳帆是一种可折叠，轻便且高反射率的薄膜，能够利用太阳辐射压力的作用来推动航天器向前推进而无需燃料。我们正在探索如何将太阳能电池嵌入太阳能帆结构中，以创建大型的无燃料太阳能发电站。

这些方法将使我们能够在太空中建造电站。确实，有一天有可能在国际空间站或将绕月轨道运行的未来月球门户站制造和部署太空装置。这样的设备实际上可以帮助在月球上供电。

可能性不止于此。尽管我们目前依靠地球上的材料来建造发电站，但科学家们也在考虑利用太空中的资源进行制造，例如月球上发现的材料。

另一个重大挑战是将功率传输回地球。该计划是将太阳能电池中的电能转换为能量波，并利用电磁场将其向下传递到地球表面的天线。天线然后将波转换回电能。由日本航空航天局领导的研究人员已经开发了设计并展示了一种能够实现这一目标的轨道系统。

在这个领域仍然有很多工作要做，但是目标是在未来几十年中实现太空中的太阳能发电站成为现实。中国的研究人员设计了一个名为Omega的系统，目标是到2050年投入运行。该系统应能够以最高性能向地球电网提供2GW的电力，这是一个巨大的数目。为了用地球上的太阳能电池板产生那么多的电力，您将需要超过600万个。