加州理工学院的研究人员希望利用太阳的能量，从300英里的高空为地球提供动力。

作者：Ker Than

2023 年 5 月一个凉爽晴朗的夜晚，加州理工学院电气工程师 Ali Hajimiri 和他的实验室四名成员聚集在戈登和贝蒂摩尔工程实验室的屋顶上，等待来自天堂的信号。

在准备过程中，研究人员在地板上散布了便携式泛光灯，并在屋顶的一角竖立了一个可折叠的顶篷，以遮挡堆叠在小折叠桌上的仪器和显示器。两根天线栖息在重型三脚架上，它们的电子目光稳定地追踪着一个在头顶上漂移 300 多英里的看不见的目标。信号 – 如果它来了 – 将以微弱的微波束的形式到达，从太空太阳能演示器（SSPD-1）发射，这是一组110磅重的加州理工学院有效载荷，五个月前在Momentus Vigoride-5航天器上的SpaceX火箭上发射到太空。SSPD-1是加州理工学院太空太阳能发电项目（SSPP）的第一个星载原型。

当晚预期信号的来源是用于功率传输低轨道实验的微波阵列（MAPLE），这是Hajimiri实验室中建造的一系列灵活的轻型微波功率发射器，构成了SSPD-1的三个主要实验之一。SSPP联合主任兼首席研究员Hajimiri和其他人估计，基于MAPLE展示的技术的天基收割机有朝一日可以提供比地面同类产品平均八倍的太阳能。

“这是一个能够随着时间的推移提供稳定电力的系统，”航空航天工程师Sergio Pellegrino补充道，他是SSPP的联合主任和首席研究员，他的实验室致力于SSPD-1的超轻型可展开结构。“在提供清洁可再生能源方面有突破的潜力。

然后，收集的能量可以被发送到地球上的任何地方，包括被战争或自然灾害摧毁的地区，或能源基础设施薄弱的地区，纳米光子和太阳能专家哈里·阿特沃特（Harry Atwater）解释说，他也是SSPP的主要研究人员之一。“你可以想象在这样的地方，你想为一个大城市供电，你可以立即做到这一点，而无需建造一个大型电网，”阿特沃特说。“太空太阳能真正具有变革性的一点是，与地球上的太阳能不同，它有可能消除对存储的需求。您可以每天 24 小时连续供电，而且您不必像电池那样进行日夜存储，或者按季节进行存储。

5月的屋顶实验计划已久，但必须在短时间内迅速执行。加州理工学院的工程师们只有三个小时的时间将他们的设备拖到屋顶上，直到当晚才收到Momentus的绿灯，可以进行实验。“这并不是说我们已经设置好了一切，我们只是坐在那里等待，”Hajimiri实验室的本科研究员Raha Riazati回忆说，他为测试设计了接收天线。“这绝对是一场疯狂的冲刺，我记得当时压力很大，心想，’我真的希望我们能及时准备好一切，因为如果我们不这样做，这将是一个浪费的机会。这真是令人伤脑筋。

晚上 10 点左右，该团队暂停了各种活动，挤在一台显示器周围。从他们在屋顶上的位置，只有七分钟的窗口可以检测到信号，倒计时已经开始。“一开始，我们没有看到信号，”Hajimiri回忆道。

一分钟过去了。然后再来几个。在团队的担忧变成警报之前，屏幕上出现了一个预示着信号的数字峰值。不断增长的尖峰携带着精确的功率水平和频移，该团队根据光束从轨道上传播来预测。“它花了几秒钟的时间才沉入其中，是的，这正在发生，”Hajimiri指出。根据Hajimiri的说法，MAPLE的演示标志着电力首次在太空中传输和接收，指向地球，然后被探测到。“当然，在这一点上，能量水平非常小，”他说。“这主要是关于检测，但这是第一步。

尽管只持续了90秒，但5月22日在加州理工学院进行的微波信号探测标志着一个重要的里程碑，实现了一个长达一个世纪的梦想，即在太空中收集太阳能并将其无线传输到地球。

SSPD-1的实验旨在测试关键技术，这些技术可以使加州理工学院实现这一愿景的独特性，其中包括部署一支灵活的模块化航天器舰队，每个航天器都配备了一个灵活的超轻膜，可以用作太阳能电池板和能量发射器。就像椋鸟的喃喃自语一样，航天器将聚集在一起，在地球上空建立巨大的浮动发电站，但每个航天器也将能够独立运行。

除了MAPLE之外，SSPD-1还有另外两个主要实验：可部署的在轨超轻复合实验（DOLCE），这是在佩莱格里诺实验室设计和建造的结构，尺寸为6英尺乘6英尺，将测试航天器的架构、封装方案和部署机制;ALBA（意大利语为“黎明”），由32种不同类型的光伏（PV）电池组成，其中一些在阿特沃特的实验室和其他加州理工学院的实验室中制造，还有一些来自世界各地的其他研究人员。阿特沃特的团队正在进行测试，以确定这些细胞中哪些在恶劣的太空环境中运行得最好。加州理工学院总共约有 35 名教职员工、博士后、研究生和本科生参与了 SSPD-1 项目。

随着5月的测试圆满结束，Hajimiri的团队爆发出欢呼声，互相击掌，然后开始了拆除设备和清理屋顶的艰巨任务。直到后来，当她回到自己的房间时，里亚扎蒂才回想起当晚的成就。“就在那时，我突然想到，这个我工作了一年半多的项目终于成功了，我们得到了这个突破性的结果，”她说。“我当时想，’哇，这真是太棒了。’

漫长的旅程

天基太阳能的想法可以追溯到1923年，当时俄罗斯理论家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提议在太空中使用镜子将强烈的阳光束聚焦到地球上。多年后，科幻作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在他1941年的短篇小说《理性》（Reason）中想象太阳能卫星以看不见的微波形式向地球和整个太阳系的人类住区发射能量。第一次得知这一点后，阿西莫夫饰演的机器人角色问道：“你希望我相信你刚才概述的任何复杂、难以置信的假设吗？你把我当成什么？

1973年，美国宇航局工程师彼得·格拉泽（Peter Glaser）获得了基于微波的轨道传输电力方法的第一项专利，他还在1968年一篇颇具影响力的《科学》杂志上发表了一篇题为“来自太阳的力量：它的未来”的文章，概述了他的提议的工程概念。格拉泽雄心勃勃的计划要求配备太阳能电池板阵列的大型卫星能够在太空中收集阳光，将太阳光转化为能量，然后将能量无线传输到地球上5英里宽的接收天线。“这是一个非常复杂的基础设施。它需要是巨大的才有意义，“佩莱格里诺说。

格拉泽还阐明了在太空中收集太阳能的基本原理：在太阳永不落山的大气层上方，无论云层、天气或夜幕降临，都可以全天候收集阳光。这一前景引起了美国政府的兴趣，以至于它花费了2000万美元来研究这项技术（受到1970年代石油危机导致的减少对化石燃料依赖的转变的启发），几年后才认为它过于复杂和昂贵。但是，由于光伏、材料工程和电子学的最新进展，加上发射成本的下降和对更多清洁能源的迫切呼吁，太空太阳能正在阳光下享受一个新的时刻。

欧洲航天局最近批准了两项关于欧洲空间太阳能网络的概念研究，作为其SOLARIS计划的一部分，该计划旨在确定天基太阳能的技术、政治和计划可行性。中国空间技术研究院计划在2028年之前发射自己的功率波束卫星原型，美国海军研究实验室最近测试了在太空中将太阳光转化为微波的技术，尽管它实际上并没有将这种能量传输到任何地方。印度、日本和英国也表示有兴趣开发自己的技术。

在这些全球努力中，加州理工学院可以说是走得最远的：SSPD-1是第一个到达轨道并演示太空无线能量传输的天基太阳能演示器。“使用轻质结构在太空中演示无线电力传输是迈向太空太阳能和全球广泛使用太阳能的重要一步，”阿特沃特说。

加州理工学院的概念

加州理工学院的努力始于慈善家唐纳德·布伦（Donald Bren），他是欧文公司（Irvine Company）的董事长，也是加州理工学院社区的终身成员，他在阅读《大众科学》杂志的一篇文章后，在年轻时首次了解到太空太阳能制造的潜力。2011年，布伦对太空太阳能的潜力很感兴趣，于是与加州理工学院当时的校长让-卢·夏莫（Jean-Lou Chameau）接洽，讨论创建一个基于太空的太阳能研究项目。在接下来的几年里，布伦和他的妻子、加州理工学院的受托人布里吉特·布伦（Brigitte Bren）同意通过唐纳德·布伦基金会（Donald Bren Foundation）进行一系列捐赠（最终承诺总额为1亿美元），以资助该项目并捐赠教授职位。“加州理工学院杰出科学家的辛勤工作和奉献精神推进了我们的梦想，即为世界提供丰富、可靠和负担得起的电力，造福全人类，”唐纳德·布伦说。

除了从布伦斯获得的支持外，诺斯罗普·格鲁曼公司还在2014年至2017年期间通过赞助研究协议向加州理工学院提供了1250万美元，该协议有助于该项目的技术开发和科学进步。

布伦要求加州理工学院使太阳能发电变得可行，同样重要的是，在经济上可行。该研究所的回应是要求Hajimiri，Pellegrino和Atwater的团队发明必要的新技术，材料和制造工艺。“你可以将我们在加州理工学院的工作描述为一场以组件为主导的革命，”阿特沃特说。“在SSPP的太阳能技术部分，我们需要实现一种今天不存在的超轻、高效、低成本、抗辐射的光伏技术。

Brens 之所以接近 Hajimiri，是因为他在电子学和光子学方面的工作为汽车中的 5G 通信和雷达传感器奠定了基础。但起初，Hajimiri持保留态度。“以前设想的太空太阳能发电方式根本不切实际，”Hajimiri回忆道。阿特沃特也有类似的初始反应。

“我花了很长时间才克服自己的怀疑，”他回忆道。“但这是其中之一：你开始考虑如何去做，它真的啃咬着你，你不能放手。

阿特沃特、哈吉米里和佩莱格里诺越是开始一起咀嚼这个问题，它就越显得现实。“很明显，我们需要更换其他人想象中成为系统一部分的基本组件，”阿特沃特说。“如果你改变组件，突然间你可以拥有更高的功率重量比，从而减少轨道质量，从而降低发射成本。

三人最终提出了一个现在被称为加州理工学院概念的设计计划，它与格拉泽几十年前概述的设计计划截然不同。“加州理工学院的概念不是一个巨大的整体物体。它是航天器的集合 – 很多很多很多的航天器 – 都是相同的，“佩莱格里诺解释道。“它们是同步的，它们为地球提供能量。

按照最初的设想，每艘航天器将携带一个每边约200英尺的方形膜。该膜由成百上千个较小的单元组成，称为瓦片，其一侧嵌入光伏电池，另一侧嵌入微波发射器。瓷砖被排列成长条，悬挂在四个伸缩臂之间，为膜提供结构和张力。这些条带被折叠和盘绕，以便在航天器到达轨道后发射和展开。每个航天器都可以在太空中自行运行和机动，但也具有编队悬停和配置跨越数公里的轨道发电站的能力，有可能产生约1.5吉瓦的连续电力。

由于每个发电站都由集体运行的单个航天器组成，因此不需要复杂的布线和沉重的中央天线。“这是一个范式转变，”Hajimiri说。“我用的比喻是从一头大象变成一群蚂蚁。

蚂蚁与大象

每块瓷砖在空间中无线传输能量的能力基于一种称为干涉的物理现象，这种现象是由于光的波状性质而产生的。Hajimiri说，要理解干扰，想象一下坐在池塘边上，把双手放在水中，上下移动。每只手都会发出波浪，但由于波浪及其能量的相互作用，有些波浪会更大，有些波浪会更小。就像水中的浪一样，同步的光波重叠，它们的峰值相遇并产生更大的峰值;这称为相长干扰。

“如果你有多个源在同一阶段协同工作，你实际上可以将能量引导到一个方向，所以它们只会在一个方向上相加，并在所有其他方向上相互抵消，”Hajimiri在最近的一段视频中解释道，该视频伴随着SSPD-1的发射公告。“就像放大镜可以将光线聚焦到一个小点一样，你实际上可以控制时间，这样你就可以将所有能量集中在一个比你开始的区域更小的区域。

能够通过操纵定时来控制方向的结果是不需要移动的机械部件，能量可以在短短纳秒内重定向到太空或地面上的接收器。“就好像你有一群蚂蚁在完美同步地工作，每只蚂蚁都贡献了一点能量，但总的来说，它们会把它送到正确的地方，”Hajimiri在视频中说。

工程“落后”

阿特沃特说，如果要实现加州理工学院的概念，就需要重新思考和大幅改进当前光伏电池技术的一切。太空中用于为卫星和国际空间站供电的光伏电池在将太阳光转化为能量方面的效率约为32%。它们每平方米重约 2.1 公斤，功率重量比或比功率为每公斤 200 瓦。它们的制造成本约为每平方米 10,000 美元。

SSPP的目标是开发一种效率水平为25%的光伏电池，其成本低100倍（每平方米100美元），重量轻40倍（每平方米0.05公斤），比功率高33倍（每公斤6.6千瓦）。换一种思考方式：使用当今的太空光伏电池技术制造的表面积为60米×60米的SSPP航天器将耗资3600万美元，重量近9000磅，几乎与福特F-450卡车一样重。凭借阿特沃特设想的超轻量级光伏电池技术，它的成本仅为45万美元，重量约为300磅，大约相当于宜家的三座沙发。

为了实现这些崇高的目标，阿特沃特的团队正在研究用于制造光伏电池的新型制造技术和特殊材料。“我们正在颠覆你用来制造太阳能电池板的正常方法，”阿特沃特说。“我们说的是，’我们必须让它变得非常便宜，所以我们将从经济分析开始，说它必须花费每平方米100美元。然后我们将设计电池制造工艺，然后我们将制造电池。这完全是落后的。

阿特沃特的团队正在使用一种称为剥落的简单方法来制造由砷化镓和磷化铟制成的高效光伏电池。剥落涉及从块状晶体上剥离一层陶瓷材料，以形成比您家中最薄的塑料片更薄的薄膜层。至关重要的是，剥落不需要真空环境，光伏电池可以在与消费级烤箱相当的熔炉中烘烤。“我们使用的处理方式与加州理工学院一年级学生的处理方式相同，”阿特沃特说。“它非常便宜。”

从6月开始的ALBA测试到目前为止表明，砷化镓电池在太空中表现良好，即使它们没有保护涂层。阿特沃特说：“这是一个验证点，我们通过加工制造的这些低成本电池，你可以在厨房里进行处理，在太空中工作，而且它们工作得很好。

ALBA正在测试的另外两种太阳能电池技术包括由薄膜钙钛矿制成的光伏电池，以及利用纳米技术和量子力学将太阳光转化为能量的称为量子点的半导体。总共有 32 个光伏电池样本，每个样本都使用这三种技术之一的变体制成，构成了 ALBA 的科学有效载荷。“我们正在测试它们的电流电压特性以及它们作为温度函数的性能，”阿特沃特解释道。“这是第一次在太空中测试这种光伏电池。

交付和部署

第三个SSPD-1实验DOLCE展示了装有PV和射频组件的柔性膜的包装和部署机制，这些组件虽然不包括在DOLCE中，但将需要完整的天基太阳能航天器。部署的第一阶段发生在 2023 年 5 月，该过程于 9 月完成。Pellegrino的团队开发了一种称为滑动包装的新方法，该方法首先将大膜分成精确的条状，紧凑地折叠成星形，然后小心地缠绕在中心轴上形成紧密的圆柱形包装，从而紧密有效地包装大膜。DOLCE是太空中滑包装技术的首次工程规模演示。

SSPD-1上的膜的边缘用可展开的“长子”加固，这是佩莱格里诺实验室广泛研究的结果。它们由两个卷尺状的超薄复合材料部分组成，由玻璃和碳纤维制成，在一侧粘合在一起。长子的弯曲横截面是薄壁的，并提供高弯曲刚度，这使得长子能够在包装过程中储存能量;然后，这种“应变能”用于在空间中自行部署结构。

当组合在一起时，长子和滑动包装技术允许每个膜条紧密地存放在一个圆柱形机构中。展开分两步进行：首先，带有膜的折叠条从中央线轴展开成星形，然后星形展开成扁平结构。开卷步骤由电机控制，而展开过程则由长子存储的应变能驱动。“我们发现这是一个高度可重复的过程，非常稳健，”佩莱格里诺说。“事实上，我们从未破坏过我们通过折叠和展开来建造的任何结构，但开发包装技术需要大量的研究，甚至需要更多的研究才能获得让结构自行部署的勇气。”

回首往事，Hajimiri承认，走到这一步是一段漫长的旅程，还有很多地方和空间需要覆盖。“电影往往描绘了一条通往成功的直接道路。通往成功的真正道路有很多曲折和很多死胡同。但人们不谈论这一点。有很多事情可能会出错。关键是要向他们每个人学习，并采取下一步行动。

哈里·阿特沃特（Harry Atwater）是工程与应用科学部的奥的斯·布斯（Otis Booth）领导主席;霍华德·休斯应用物理与材料科学教授;液态阳光联盟（Liquid Sunlight Alliance）主任;以及SSPP的首席研究员。

Ali Hajimiri 是电气工程和医学工程的 Bren 教授，也是 SSPP 的联合主任和首席研究员。塞尔吉奥·佩莱格里诺（Sergio Pellegrino）是乔伊斯和肯特·克雷萨（Joyce and Kent Kresa）航空航天与土木工程教授，也是加州理工学院为美国宇航局管理的JPL的高级研究科学家。他也是SSPP的联合主任和首席研究员。

塞尔吉奥·佩莱格里诺（Sergio Pellegrino）是乔伊斯和肯特·克雷萨（Joyce and Kent Kresa）航空航天与土木工程教授，也是加州理工学院为美国宇航局管理的JPL的高级研究科学家。他也是SSPP的联合主任和首席研究员。