Overview Engergy公司太空输电概念图（非本次实验）。图片来源：Overview Energy
比从太空传难。
撰文 | 冬鸢
审校 | 王昱
2025年11月晚，一架单引擎涡桨飞机飞翔在美国宾夕法尼亚5000多米的高空。飞机又小又慢，高空的风却很大，飞行得有些许勉强——但这正是把这架飞机送上天的人希望看到的。
实验所用飞机（图片来源：Overview Energy）
这架飞机上装着激光器和一些光学器件，以及一块很大的电池以及配套的冷却系统。它正在执行一项史无前例的任务——飞机在天空中的强烈湍流中高速移动时，向地面远程输送电能。
这是有史以来首次在任何移动平台上演示高功率无线电力传输，来自能源公司Overview Energy。下一步，他们便准备把飞机换成卫星，从太空中传输能量回地球了。从某种程度上来说，这其实比飞机容易，因为太空中环境更稳定，不像飞机那样受湍流的影响。
飞机内部结构（图片来源：Overview Energy）
至于为什么要从太空中传输电力，还得从上个上个世纪中叶讲起。
从科幻到现实
1941年，科幻作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）就在短篇小说《推理》（Reason）中设想了一个未来世界，那里的人类能直接在太空中收集太空的能量，将其传回地面作为能源使用。而那时距离人类第一次在太空中使用太阳能板还有20年。
1968年，科学家科学家彼得·格拉泽（Peter Glaser）在《科学》（Science）上发表文章，正式在科学领域提出了从太空获取能量的设想，其核心理念简单而诱人：地球上的太阳能受限于黑夜、云层以及大气层的过滤作用。但在太空中，阳光不仅不会中断，强度也远超地面。这一设想被称作太空太阳能（Space-based solar power, SBSP）：利用巨大的卫星在太空中捕捉取之不尽的太阳能，通过无线方式将其传输回地球，为我们的城市供电。
NASA在1976年对于太空太阳能的设想（图片来源：NASA）
近年来卫星技术、太阳能电池和无线传输技术的进步，让这一设想越来越可能实现了。科学家的设想是，将巨型卫星发射到太空，通常是距离地面3.6万千米的地球静止轨道（GEO）上。在这里，卫星相对于地面保持静止，并且一年中99%的时间都能被阳光照射。卫星上安装的巨大太阳能电池阵列会把阳光转换为电力，然后将电能变成高频率的微波或激光束，传送到地面接收站。地面接收站通过整流天线（rectenna）等装置捕获微波能量，再将其转换回电能送入电网，供城市和设施使用。
虽然地球上也有不少可再生能源，但它们大多不是随时可用的——风总有停的时候，太阳也迟早会落到地平线以下。但空间太阳能却可以像核电站或煤电厂一样全天候24小时发电，而且还是零碳排放。此外，由于没有大气层散射光线，太空中的阳光强度比地面高出约30%。一颗卫星理论上可以提供吉瓦级的电力，足以点亮一座大城市。
设想图（图片来源：Caltech）
如今，多个国家和组织也都在积极试验空间太阳能技术。2022年，中国西安电子科技大学的“逐日工程”取得重要阶段性成果，研究人员建成了一座75米高的测试塔，验证了能量采集和无线传输的全链路技术。2023年，美国加州理工学院的“MAPLE”实验首次在轨道上成功实现了无线能量传输，证明了该物理原理在太空中是可行的。欧洲空间局（ESA）批准了“SOLARIS”计划以研究技术可行性，而英国的“Space Solar”项目正在开放一种名为CASSIOPeiA的独特卫星设计，能够360度灵活导向能量束。
目前的挑战
尽管前景诱人，但空间太阳能也面临巨大技术和成本挑战。因为要实现这一设想，需要构建十分庞大的结构。例如，CASSIOPeiA的设想中，需要宽约1.7千米的太阳能阵列。组装如此巨大的结构需要先进的技术，并且大量发射火箭。据估计，仅将这么大的组建送入轨道就可能需要68次星舰发射。在太空建设和维护这样的大规模系统也从未有过先例。此外，工程师还必须应对空间碎片、辐射、极端温度变化等问题。无线传输电力时，也需要极其精确地对准发射器和地面接收站，否则能量可能偏离目标。此外，还需要明确的研究能证明这些能量传输对任何自然都无危害，所有这些都增加了系统的复杂度和成本。
在成本方面，发射成千上万吨硬件到太空非常昂贵。据美国航空航天局（NASA）的分析，要使太空太阳能发电站具备商业可行性并与地面能源竞争，发射成本必须大幅降低，从目前的每千克数万美元降至仅数百美元。此外，每道技术环节都有能量损失：从光伏到电力，再转换为波穿越大气，最后由整流天线接收，各个步骤都不是百分百高效。目前最好的太空级别光伏电池效率也只有约30%至40%，而其它关键组件也需要提高效率。所有这些都意味着，需要长期的技术突破和大规模投资才能让太空太阳能成为现实。
太阳能板设想图（图片来源：Caltech）
而此次Overview Energy的飞机实验，正是在攻克太空太阳能领域的一个棘手难题，他们证明了，即使是在相对不稳定的环境下，远距离无线传输能量的各个组件都可以完美集成。他们表示，从飞机上瞄准地面的接收装置实际上会比从卫星上瞄准更加困难，因为飞机会受到湍流的影响，并且相对于地面接受站的角速度更高。而这次实验的成功让他们对接下来的计划充满信心，他们计划于2029～2030年发射首批地球同步轨道卫星，届时它们将有约99%的时间能接收到太阳光。
此外，还有许多其他国家和机构正在不断努力。如果太空太阳能能够实现，它将为清洁能源提供全新方案。太空电站可以全天候提供稳定的基荷电力，弥补地面风能和太阳能发电的缺陷，帮助电网更平稳运行并减少对煤炭和天然气的依赖。此外，太空太阳能可以向地球上的任何地方输送电力。比如，偏远岛屿、海上平台或者灾区都可以通过在本地安装接受装置，直接从太空轨道上接受能量。甚至在未来，还可以通过这种方式为月球基地或深空航天器提供能量。
参考链接：
https://www.overviewenergy.com/updates/airborne
https://www.overviewenergy.com/updates/space-to-grid
https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space
https://news.xidian.edu.cn/info/2106/220926.htm
https://singularityhub.com/2018/12/31/why-the-future-of-solar-power-is-from-space/
https://addsdonna.com/old-website/ADDS_DONNA/Science_Fiction_files/2_Asimov_Reason.pdf
https://www.qub.ac.uk/News/Allnews/2024/solar-farms-in-space-new-research.html#:~:text=Space%20Solar's%20power%20satellite%20design,the%20beam%20through%20360%20degrees.
https://www.signalsaz.com/articles/how-was-a-wireless-energy-transfer-achieved-in-space/#:~:text=The%20wireless%20power%20transfer%20was,Solar%20Power%20Project%20(SSPP).
https://www.spacesolar.caltech.edu/timeline-1/
https://spectrum.ieee.org/space-based-solar-power-2667878868#:~:text=The%20glamorous%20vision%20has%20inspired,floated%20but%20not%20yet%20funded
https://harvardtechnologyreview.com/2025/09/05/the-future-of-energy-unlocking-the-potential-of-space-based-solar-power/#:~:text=High%20Upfront%20Costs%3A%C2%A0%20According%20to,components%2C%20further%20increasing%20the%20cost
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到newmedia@huanqiukexue.com与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
平台声明：该文观点仅代表作者本人，零碳未来网 系信息发布平台，我们仅提供信息存储空间服务。
发表评论 取消回复