首次太空太阳能测试在轨道运行一年后完成

一颗轨道卫星完成了为期一年的任务，该卫星用于测试有朝一日收集太阳能并将其传输到地球的技术可行性，研究人员迫切希望深入研究其结果。根据加州理工学院今天发布的任务回顾，太阳能空间电力演示器 (SSPD-1) 的工程师认为这颗 110 磅重的原型机上搭载的三个工具都取得了成功，并相信该项目“将有助于规划太空太阳能的未来”。然而，如果此类项目获得资助，这一未来可能还需要几十年的时间。

SSPD-1 于 2023 年 1 月初搭载 SpaceX Falcon 9 火箭发射，包含三项实验：首先，其可部署在轨超轻复合材料实验 (DOLCE) 研究了轻型、受折纸启发的太阳能电池板结构的耐用性和有效性，而 ALBA（意大利语为“黎明”）测试了 32 种不同的光伏电池设计，以确定哪种设计最适合太空。与此同时，微波阵列电力传输低轨道实验 (MAPLE) 测试了微波发射器，用于将在轨道上收集的太阳能传输回地球。

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或许最重要的是，MAPLE 首次成功证明，光伏电池可以收集太阳能，并通过微波束传输到地球。在接下来的八个月里，SSPD-1 团队成员有意识地加大了 MAPLE 的压力测试，最终导致传输能力下降。研究人员随后在实验室环境中重现了这一问题，最终确定复杂的电热相互作用和单个阵列组件的磨损是罪魁祸首。

加州理工学院空间太阳能发电项目 (SSPP) 联合主任、电气工程和医学工程 Bren 教授 Ali Hajimiri 今天宣布，该研究成果“已经促使我们对 MAPLE 的各个元素的设计进行修改，以最大限度地提高其在较长时间内的性能。”

哈吉米里补充道：“使用 SSPD-1 进行太空测试让我们更加了解自己的盲点，对我们的能力也更有信心。”

如今，卫星和其他太空技术中使用的太阳能电池的制造成本比地面太阳能电池高出 100 倍。加州理工学院解释称，这主要是由于添加保护性晶体膜（即外延生长）的成本所致。ALMA 确定，钙钛矿太阳能电池虽然在地球上是一种很有前途的设计，但在太空中却表现出很大的性能差异。与此同时，砷化镓电池在很长一段时间内都能持续良好运行——但无需进行外延生长。

至于 DOLCE，研究人员周一坦言“并非一切都按计划进行”。尽管最初计划部署时间是三到四天，但 DOLCE 遇到了多个工程问题，例如线路缠结和机械部件卡住。值得庆幸的是，团队通过参考机载摄像头在全尺寸实验室复制品上模拟问题，成功解决了这些问题。尽管存在诸多问题，但 DOLCE 的太空测试“证明了基本概念的稳健性”，SSPP 联合主任、Joyce 和 Kent Kresa 航空航天和土木工程教授 Sergio Pellegrino 表示。

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但即使 SSPD-1 取得了整体成功，利用卫星阵列高效且经济地收集太阳能可能还需要数年时间。此前估计，太空收集太阳能的成本为每千瓦时 1-2 美元，而目前美国电力成本不到每千瓦时 0.17 美元。材料成本需要大幅降低，同时还要保持足够强度以承受太空的太阳辐射和地磁活动。

在太空太阳能为人类可持续能源基础设施做出贡献之前，还有其他问题需要解决。正如《纽约时报》去年指出的那样，SSPD-1 通过微波束传输的能量与日常使用所需的能量相比微不足道，而且这种轨道太阳能电池阵列可能需要几千英尺宽——作为参考，国际空间站只有 357 英尺长。将强大的微波和激光束发射回地球也存在安全问题。

SSPP 研究人员意识到，在轨道太阳能发电场真正成为可能之前，所有这些问题都需要解决。但他们最近的进展表明，至少他们似乎走上了一条充满希望的道路。