太空太阳能发电项目以成功和教训结束首次太空任务

一年前，加州理工学院的太空太阳能演示器（SSPD-1）发射到太空，以展示和测试三项技术创新，这些创新是使太空太阳能成为现实所必需的。

星载试验台展示了在太空中无线传输电力的能力;它测量了太空中各种不同类型太阳能电池的效率、耐用性和功能;并对轻质可展开结构的设计进行了实际试验，以提供和固定上述太阳能电池和功率发射器。

现在，随着SSPD-1太空任务的结束，地球上的工程师们正在庆祝试验台的成功，并吸取重要的经验教训，这将有助于规划太空太阳能的未来。

“太阳能以商业价格从太空发射，照亮地球，仍然是一个未来的前景。但这项关键任务表明，它应该是一个可以实现的未来，“加州理工学院校长托马斯·罗森鲍姆（Thomas F. Rosenbaum）说，他是索尼娅和威廉·戴维多（Sonja）和威廉·戴维多（William Davidow）总统主席兼物理学教授。

SSPD-1 代表了一个已经进行了十多年的项目的一个重要里程碑，作为多个国家正在追求的技术向前迈出的切实而引人注目的一步，引起了国际关注。它于 2023 年 1 月 3 日在 Momentus Vigoride 航天器上发射，作为加州理工学院太空太阳能项目 （SSPP） 的一部分，由 Harry Atwater、Ali Hajimiri 和 Sergio Pellegrino 教授领导。它由三个主要实验组成，每个实验测试不同的技术：

• DOLCE（可部署在轨超轻复合实验）：一个尺寸为 1.8 米乘 1.8 米的结构，展示了可扩展模块化航天器的新颖架构、封装方案和部署机制，最终将构成一个公里尺度的星座作为发电站。
• ALBA：32 种不同类型的光伏 （PV） 电池的集合，用于评估能够承受恶劣太空环境的电池类型。
• MAPLE（用于功率传输低轨道实验的微波阵列）：一系列灵活、轻便的微波功率发射器，基于定制集成电路，具有精确的定时控制，可选择性地将功率聚焦在两个不同的接收器上，以演示太空中远距离的无线电力传输。

“这并不是说我们在太空中还没有太阳能电池板。例如，太阳能电池板用于为国际空间站供电，“奥的斯布斯工程与应用科学部领导主席阿特沃特说;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;SSPP的主要研究者之一。“但是，为了发射和部署足够大的阵列，为地球提供有意义的电力，SSPP必须设计和制造超轻、廉价、灵活和可部署的太阳能能传输系统。

DOLCE：部署结构

尽管SSPD-1上的所有实验最终都取得了成功，但并非一切都按计划进行。然而，对于领导这项工作的科学家和工程师来说，这正是重点。SSPD-1的真实测试环境为评估每个组件提供了机会，所收集的见解将对未来的空间太阳能电池阵列设计产生深远影响。

例如，在部署DOLCE的过程中（原本打算是一个三到四天的过程），将斜吊杆连接到结构角落的一根电线被卡住了，这使其可以展开。这阻碍了部署，并损坏了其中一个吊杆与结构之间的连接。

随着时间的流逝，该团队在DOLCE上使用相机以及Pellegrino实验室中DOLCE的全尺寸工作模型来识别并尝试解决问题。他们确定，当太阳直接加热以及从地球反射的太阳能时，受损的系统会更好地展开。

一旦对角线吊杆展开并且结构完全展开，就出现了新的复杂情况：部分结构在展开机构下被卡住，这在实验室测试中从未见过。利用来自DOLCE摄像机的图像，该团队能够在实验室中重现这种干扰，并制定了解决该问题的策略。最终，Pellegrino和他的团队通过DOLCE执行器的运动完成了部署，该执行器振动了整个结构并消除了堵塞。佩莱格里诺说，从经验中吸取的教训将为下一个部署机制提供信息。

“太空测试证明了基本概念的稳健性，尽管存在两个异常情况，但使我们能够成功部署，”Joyce和Kent Kresa航空航天与土木工程教授兼SSPP联合主任Pellegrino说。“故障排除过程为我们提供了许多新的见解，并使我们更加关注模块化结构和对角线吊杆之间的连接。我们已经开发出新的方法来抵消超轻可展开结构中自重的影响。

ALBA：收集太阳能

与此同时，由阿特沃特领导的ALBA团队在240多天的运行过程中测量了三种全新类别的超轻研究级太阳能电池的光伏性能，这些电池以前从未在轨道上进行过测试。一些太阳能电池是使用SSPP实验室和加州理工学院Kavli纳米科学研究所（KNI）的设施定制制造的，这为该团队提供了一种可靠而快速的方法，使小型尖端设备快速准备飞行。在未来的工作中，该团队计划测试使用高度可扩展的廉价制造方法制造的大面积电池，这些方法可以显着降低这些太空太阳能电池的质量和成本。

目前市面上可用的太空太阳能电池通常比地球上广泛部署的太阳能电池和组件贵100倍。这是因为它们的制造采用了一种称为外延生长的昂贵步骤，其中晶体薄膜在衬底上以特定方向生长。SSPP太阳能电池团队通过使用廉价且可扩展的生产工艺（如用于制造当今硅太阳能电池的工艺）实现了低成本的非外延空间电池。这些工艺采用高性能化合物半导体材料，如砷化镓，这些材料通常用于制造当今的高效空间电池。

该团队还测试了钙钛矿电池，钙钛矿电池因其价格便宜且灵活而引起了太阳能制造商的注意，以及有可能部署在大型柔性聚合物片中的发光太阳能聚光器。

在ALBA的整个生命周期中，该团队收集了足够的数据，以便能够观察单个细胞在响应太阳耀斑和地磁活动等空间天气事件时的运行变化。例如，他们发现钙钛矿电池的性能存在巨大差异，而低成本的砷化镓电池总体表现良好。

“SSPP为我们提供了一个独特的机会，将太阳能电池直接从加州理工学院的实验室送入轨道，加速了通常需要数年才能完成的太空测试。这种方法大大缩短了空间太阳能技术的创新周期时间，“阿特沃特说。

MAPLE：太空中的无线电力传输

最后，正如今年6月宣布的那样，MAPLE展示了其在太空中无线传输电力并将光束引导到地球的能力，这在该领域尚属首次。在最初的演示之后，MAPLE的实验持续了八个月，在随后的工作中，该团队将MAPLE推向了极限，以暴露和了解其潜在的弱点，以便将经验教训应用于未来的设计。

该团队将阵列在任务早期的性能与任务结束时的性能进行了比较，当时MAPLE被故意强调。观察到总发射功率下降。回到地球上的实验室，该小组再现了功率下降，将其归因于阵列中一些单独的发射元件的退化以及系统中一些复杂的电热相互作用。

“这些观察结果已经导致了MAPLE各种元素设计的修改，以最大限度地提高其在很长一段时间内的性能，”Bren电气工程和医学工程教授兼SSPP联合主任Hajimiri说。“使用SSPD-1在太空中进行测试使我们更清楚地了解我们的盲点，并对我们的能力更有信心。

SSPP：向前迈进

SSPP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 《大众科学 》杂志的一篇文章中首次了解到天基太阳能制造的潜力。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（总承诺额超过1亿美元），以资助该项目并授予一些加州理工学院教授职位。

“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，该协议有助于技术开发和推进项目的科学发展。

随着SSPD-1任务的结束，该测试平台于11月11日停止了与地球的通信。承载SSPD-1的Vigoride-5飞行器将留在轨道上，以支持该飞行器使用蒸馏水作为推进剂的微波电热推进器发动机的持续测试和演示。它最终将在地球大气层中脱离轨道并解体。

与此同时，SSPP团队继续在实验室工作，研究SSPD-1的反馈，以确定该项目需要解决的下一组基础研究挑战。

_{上图：2023 年 9 月 29 日，DOLCE 结构完全部署在加拿大北极上空。DOLCE结构的TRAC长子和板条在北极冰层上方清晰可见。玻璃纤维板条连接器在阳光下闪闪发光（右侧）。}