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天基太阳能:美国能源安全的新前沿


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天基太阳能 (SBSP) 是满足未来全球能源需求的关键组成部分。去年秋天,在华盛顿由太空前沿基金会主办的国会工作人员简报会上,专家警告说,美国有可能在这项新兴技术上落后于中国,同时强调了SBSP如何彻底改变能源生产。

专家预测,到 2050 年,实现电网现代化并提高电网的弹性需要 21.4 万亿美元的投资,其中需要 17.3 万亿美元来满足新的能源需求。“能源约占全球 GDP 的 10-11%,这是一个数万亿美元的市场机会,”SBSP 专家、美国外交政策委员会研究员彼得·加雷森 (Peter Garretson) 指出。


加雷森和太空能源专家还警告说,在从太空收集太阳能的竞赛中,美国有可能落后于中国:“无论谁在这项技术方面处于领先地位,都可以在地面和太空工业中获得巨大的经济优势。“中国将在不到 20 年的时间内生产这种产品,我们将从他们那里购买,”加雷森警告说。他详细介绍了中国雄心勃勃的计划,即到 2030 年建造原型 SBSP 波束系统,在 2028 年进行近地轨道测试,成为太空中最大的人造物体,使国际空间站相形见绌。该技术使用卫星在太空中收集太阳能,并通过微波或红外激光传输将其发射回地球。


与传统的太阳能发电厂不同,天基系统提供 24/7 全天候电力,不受天气或夜间的影响,可能产生的能量是覆盖相同区域的地面电池板的五到六倍。Space Frontier Foundation 首席能源顾问 Leet Wood 表示,时机对于开发这项技术至关重要。“仅美国东海岸电网(为 6500 万美国人提供服务)就需要在未来十年内相当于 15 座核电站的新容量,才能满足预期需求。”与此同时,燃煤电厂退役和极端天气事件继续给电网可靠性带来压力。“这不仅仅是发电,还关传输,”太空前沿基金会执行董事 Sean Mahoney 解释说。该技术允许将电力精确地传输到需要的地方,从而可能绕过长达十年的新输电线路建设过程。在最近的洛杉矶野火等紧急情况下,可以快速部署便携式接收站以恢复受灾地区的电力,避免了飓风米尔顿期间停电以及 2021 年德克萨斯州风暴导致停电所造成的问题。该团队使用 Wi-Fi 等技术展示了用于太空能量束的非电离辐射对人类和野生动物如何安全,这与关于射频对人类影响的研究结果相呼应:来自太空的低水平能量光束没有健康风险。天基太阳能电站的演示就像美国 SBSP 公司 Virtus Solis 于 2023 年在伦敦 CogX 音乐节上所做的那样。


SBSP 接收站被描述为“基本上是一堆鸡丝”,将对阳光透明度为85%,允许下面的土地用于农业——与传统的太阳能发电厂形成鲜明对比。美国航空航天公司的 SBSP 专家 Karen Jones 强调,随着发射成本的持续降低,该技术的成本可能会与其他能源相比具有竞争力。“我们看到了整个价值链的溢出效益,”她指出,光伏、无线电力传输和太空制造的进步可能会使多个行业受益。美国在开发这项技术时面临着组织上的挑战。与中国的协调国家计划不同,美国的 SBSP 位于多个联邦机构的管辖范围之间,没有明确的联系。与此同时,一个新兴的商业初创公司集团也在寻求在中国开始销售太空能源之前推进这项技术。空军研究实验室已经成功展示了该技术的关键组成部分,包括在人体暴露限制内安全运行的功率束系统。专家估计,通过适当的支持和投资,美国可以在 10 到 15 年内部署其第一个吉瓦级系统,千瓦级系统将于 2026 年初推出。


SBSP 的倡导者将用 SpaceX的星链系统作为例子,后者从概念提出后,短短几年内发射了一半的第一阶段星座,展示了太空技术在适当支持下可以多么迅速地扩展。正如加雷森所指出的,在太空中建造大型结构的能力对国家安全具有深远的影响。一个能够建造太阳能卫星的国家将展示出在太空物流、大规模组装和电力传输方面的能力,这可能会彻底改变太空中的军事行动模式。最近几周,美国 SBSP 倡导者取得了立法里程碑。太空前沿基金会推动在美国众议院最近通过的《美国宇航局-能源部机构间协调法案》(HR 1368)中引入了有关内容,该法案呼吁开发“将太空中收集的太阳能传输到地球表面所需的地面和太空技术”。太空前沿基金会的倡导者正在对美国众议院和美国参议院进行持续游说,帮助当选领导人了解 SBSP 对美国能源未来的巨大潜力,推动美国保持在商业太空开发方面的持续领导地位。


在最近的 “三月风暴”(March Storm)活动期间,即太空前沿基金会对国会山的年度访问期间,数十名SBSP倡导者会见了来自 10 个州 60 多个办公室的国会领导人和工作人员,包括众议院和参议院军事委员会的成员和工作人员;参议院商业、科学和交通委员会;以及众议院科学、空间和技术委员会,对他们进行SBSP方面的知识普及。该团队还制定了措辞草案,该草案被倡导纳入《国防授权法》以推进 SBSP。


随着美国公司和外国政府开发早期原型,关于太空太阳能的对话内容不再是要不要搞,而是何时,更重要的是,谁将引领潮流。随着国会努力解决经济和能源安全、电网可靠性和气候变化问题,天基太阳能提供了一种解决所有三个挑战的潜在解决方案:能源独立于外国来源;即使在自 2020 年以来造成超过 5000 亿美元损失的极端天气事件中,也能提供可靠的电力输送;以及无碳发电。前方的道路很明确:为了赢得太空能源竞赛并确保美国的能源独立,新一届国会应指示能源部和商务部在 NASA 和国防部的支持下完成为期 120 天的 SBSP 联合技术和经济可行性研究。一旦完成,这项研究将为政府、美国工业界和学术界提供信息,因为他们将制定一个路线图,以便在中国垄断这个新兴市场之前快速成熟这项技术。来自太空的电力波束将有利于美国的能源和国家安全利益,同时解决三个关键挑战:能源独立、极端天气下的可靠电力输送和无碳发电。现在是美国带头利用这种新的太空能源资源并从中受益的时候了。

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