在月球上培育的太阳能电池板可以为地球提供动力

贾斯汀·刘易斯·韦伯说：“全球变暖是我们人类在未来 100 年面临的最大挑战。”

目前是加州一名高中生的刘易斯-韦伯刚刚在《新空间》杂志上发表了一篇论文，他认为这可能是解决即将到来的能源危机的办法：将自我复制的太阳能电池板送入太空。这些太阳能电池板将在月球表面自主复制。然后它们将进入地球轨道，收集太阳能，并通过无线方式将其传送到地面。刘易斯-韦伯的论文以 Artemis Innovation Management Solutions 的 John C. Mankins 的工作为基础。

在月球上安装自我复制的太阳能电池板听起来可能像是一个疯狂的想法，但太空太阳能发电的概念实际上可以追溯到几十年前，在 20 世纪 70 年代的石油危机期间获得了一些支持。油价回落后，这一想法被搁置，但自那以后，发生了两件事：第一，世界变得更加迫切地需要解决气候变化问题；第二，技术创新使这个疯狂的想法不再是科幻小说。这个想法正在引起人们的关注，随着一些大笔投资，太空太阳能发电有可能在几十年内成为现实。

为什么要把太阳能电池板放到太空中？

刘易斯-韦伯说，在地球上可用的所有能源中，太阳几乎是最好的。“正如伊隆·马斯克所说，我们的天空中有一个聚变反应堆。”

常规太阳能发电的问题是太阳并不总是升起。我们有夜晚和阴天。太阳能电池板也占用了大量土地。

“要用太阳能为全世界供电，我们需要在内华达州面积的 92% 范围内安装太阳能电池板，这还不包括电池，”刘易斯-韦伯说。“对我来说，这根本不可行。”

但如果将同样的太阳能电池板放置在太空中，远离大气层，就无需担心天气问题，太阳能电池板几乎可以一直接受阳光照射。此外，到达太阳能电池板的光线亮度将提高 27%，因为光线不需要穿过大气层。

轨道上不存在阴天。

这些太阳能电池板将利用微波将电力传送回地球上的接收器。如果您担心的话，这些微波不会烧到我们。

“该系统的设计不会超过安全功率密度，”美国海军研究实验室太空太阳能电池板研究人员保罗·贾菲告诉我们。（贾菲提出了一项从地球向太空发射太阳能电池板的计划——但它们不会自我复制。）“这有点像你骑自行车时不必担心打破陆地速度记录。该系统不能被用作武器。”

大型阵列也不会在地球上投下阴影。阳光会像在轨道上的其他卫星一样散射到结构周围。即使月亮遮蔽太阳，它也只会在很短的时间内给地球的一小部分投下阴影。内华达州大小的阵列的阴影“甚至不到它的百万分之一”，贾菲说。

太空太阳能发电还有另一个优势。这些阵列可以将电力传送到全球大部分地区，无论接收器安装在哪里。这为向发展中国家的村庄或受灾地区输送电力提供了可能性。贾菲说，接收设备可以装进几个集装箱里。

此外，由于阳光基本上是连续的，太空太阳能发电不需要开发大型电池来储存电能——而这正是地面太阳能发电的制约因素。

只有一个大问题

全球需要大量的太阳能电池板来供电，而将它们全部发射到太空的成本并不低。

SpaceX 一次发射的成本约为 6000 万美元，这比竞争对手便宜得多。在论文中，刘易斯-韦伯计算出，发射大量太阳能卫星的成本可能高达数十万亿美元。

“发射成本无疑是决定太空太阳能成本的最重要因素之一，”贾菲表示同意。“如果不降低成本，或者不采用其他方式将航天器送入预定位置，它就无法在价格上与化石燃料竞争。”

可能的解决方案？

如果我们不用将数千块太阳能电池板送入轨道，而是直接发射一块经过编程可以自我复制的太阳能电池板，结果会怎样？然后它制造的每台机器都会自我复制，以此类推。就像兔子繁殖一样，太阳能电池板卫星的数量将呈指数级增长，在几个月或几年内覆盖整个内华达州。

地球轨道没有足够的资源来建造所有这些机器人，因此我们可以将自我复制的机器送往月球，刘易斯-韦伯建议。在那里，它可以开采柔软的月球风化层，获取铝、铁和硅，将其转化为太阳卫星宝宝的零件。

制造自我复制的机器人并非易事，但 Lewis-Weber 有一个计划。第一步是尽可能简化太阳能电池板的设计。“我们不用 1,000 种不同类型的螺丝，”他说，“我们只需要 5 种。我们不用为不同的部件使用不同的模具，我们只需要一台 3D 打印机。”

就像兔子繁殖一样，太阳能电池板卫星的数量将呈指数增长。

通过大约 18 种不同的“种类”工厂机器，每种机器都执行一项简单的任务，例如生产螺丝或太阳能电池，理论上可以将月球变成一个自给自足的太阳能电池工厂。

一旦太阳能电池板准备就绪，它们就可以返回地球——这个过程比从地球发射要容易得多，因为月球的引力只有地球的六分之一——并在轨道上驻留。

这个过程需要很多新技术，但都不是特别遥远的事情。不需要曲速引擎或物质传送器（尽管后者肯定有用）。刘易斯-韦伯认为他可以以大约 100 亿美元实现这一目标。其中大部分将用于研发。在技术开发和推出后，它制造的每块太阳能电池板基本上都是免费的。

同样的 100 亿美元，从地球上建造和发射太阳能电池板将提供一个足够为 15 万户家庭供电的阵列。这还不错，但不如用同样的钱为全世界供电那么好。

即使刘易斯-韦伯的研发最终花费 1000 亿美元，其发电成本（每千瓦时 0.00042 美元）也比化石燃料低几个数量级。这不仅使太阳能在竞争中胜过煤炭、石油和天然气，还意味着投资这项技术的公司可以赚到很多钱。

但目前还不可能

复杂的、自我复制的机器人目前还不存在，“这将是一个艰巨的工程挑战”，刘易斯-韦伯承认。但这似乎是可能的。科学家们在建造可以“复制”的简单机器方面取得了进展，一台 3D 打印机已经接近自我复制；它可以打印出 73% 的自身工作副本。

就挖掘月球尘埃并将其提炼成可用部件而言，这可能是深空工业和行星资源公司的工作，这些公司正在开发开采小行星的技术。

其他研究团队也在努力将太空太阳能发电变为现实。例如，贾菲和他的同事正在尝试开发能够帮助单个卫星进入轨道的有序阵列的技术。“无论你是用从地球还是从月球发射的部件建造这些卫星，都可能需要进行一些组装。”

这将是一个艰巨的工程挑战。

与此同时，日本的研究人员已成功演示了将轨道上太阳能电池板的电能传输到地面所需的无线电力传输。他们能够将 10 千瓦的电力传输到 1,640（500 米）外的接收器。

我们怎样才能到达那里？

太空太阳能发电的想法似乎正在获得发展势头。在最近的国防部竞赛中，Jaffe 的团队在 500 个参赛团队中赢得了 7 个奖项中的 4 个。

“随着气候变化，人们对此的兴趣肯定重新燃起，”他说。

在国防部的演讲中，贾菲概述了太空太阳能发电的计划。他的战略是使用从地球而不是月球发射的太阳能电池板，但这两种战略的分步测试可能类似。

一个国际团队将在地面上测试这项技术，然后将其带到国际空间站。之后，他们将发射一个“探路者任务”——该阵列的小型版本——进入近地轨道。这项任务将能够将电力传送到世界任何地方。

“如果我们现在开始，这些措施可以在 2021 年之前完成，花费约 3.5 亿美元，”他在演讲中说道。这“大约相当于美国人每年为宠物购买万圣节服装的花费。”

我们开始的花费大约相当于美国人每年为宠物购买万圣节服装所花的金额。

今年秋天，刘易斯-韦伯将前往美国一所顶尖大学，届时他将努力争取资金。他心中有一个特别想合作的人：“我非常高兴能与伊隆·马斯克合作。”

这位制造电动汽车、发射火箭的亿万富翁无疑非常适合这个项目，尽管通过电话联系上他有点困难。但如果​​你已经开始尝试登月计划，为什么不把目标设得更高一些呢？