這聽起來像是科幻小說：巨大的太陽能發(fā)電站漂浮在太空中，將巨大的能量輻射到地球上。長期以來，這一概念(最初由俄羅斯科學(xué)家Konstantin Tsiolkovsky于1920年代提出)主要是對作家的啟發(fā)。

然而，一個世紀(jì)后，科學(xué)家在將這一概念變?yōu)楝F(xiàn)實方面取得了巨大進(jìn)步。歐洲航天局已經(jīng)意識到了這些努力的潛力，現(xiàn)在正尋求為此類項目提供資金，并預(yù)測我們將從太空獲得的第一種工業(yè)資源是“束流發(fā)電”。

氣候變化是我們這個時代最大的挑戰(zhàn)，因此存在很多風(fēng)險。從全球氣溫升高到天氣模式轉(zhuǎn)變，全球已經(jīng)感受到氣候變化的影響?？朔@一挑戰(zhàn)將需要徹底改變我們產(chǎn)生和消耗能量的方式。

近年來，可再生能源技術(shù)得到了飛速發(fā)展，具有更高的效率和更低的成本。但是，吸收它們的一個主要障礙是它們不能持續(xù)提供能量。風(fēng)力發(fā)電場和太陽能發(fā)電場僅在刮風(fēng)或曬太陽時才產(chǎn)生能量，但我們每天都需要全天候供電。最終，我們需要一種能夠大規(guī)模存儲能量的方法，然后才能轉(zhuǎn)向可再生能源。

解決這個問題的一種可能方法是在太空中產(chǎn)生太陽能。這有很多優(yōu)點。一個天基太陽能發(fā)電站可以一天24小時面向太陽運行。地球的大氣層也吸收并反射一些太陽光，因此大氣層上方的太陽能電池將接收更多的陽光并產(chǎn)生更多的能量。

但是要克服的主要挑戰(zhàn)之一是如何組裝，發(fā)射和部署如此大的結(jié)構(gòu)。單個太陽能發(fā)電站可能必須高達(dá)10公里的面積相當(dāng)于1400個足球場的平方。使用輕質(zhì)材料也將至關(guān)重要，因為最大的支出將是將火箭發(fā)射到太空的費用。

一種建議的解決方案是開發(fā)成千上萬個較小的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將聚集在一起并配置為一個大型的太陽能發(fā)電機(jī)。2017年，加利福尼亞理工學(xué)院的研究人員概述了模塊化電站的設(shè)計，該電站由數(shù)千個超輕太陽能電池磚組成。他們還展示了一種原型瓷磚，每平方米的重量僅為280克，與卡片的重量相似。

近來，也正在針對這種應(yīng)用關(guān)注諸如3-D打印的制造方面的發(fā)展。在利物浦大學(xué)，我們正在探索將超輕型太陽能電池印刷到太陽帆上的新制造技術(shù)。太陽帆是一種可折疊，輕便且高反射率的薄膜，能夠利用太陽輻射壓力的作用來推動航天器向前推進(jìn)而無需燃料。我們正在探索如何將太陽能電池嵌入太陽能帆結(jié)構(gòu)中，以創(chuàng)建大型的無燃料太陽能發(fā)電站。

這些方法將使我們能夠在太空中建造電站。確實，有一天有可能在國際空間站或?qū)⒗@月軌道運行的未來月球門戶站制造和部署太空裝置。這樣的設(shè)備實際上可以幫助在月球上供電。

可能性不止于此。盡管我們目前依靠地球上的材料來建造發(fā)電站，但科學(xué)家們也在考慮利用太空中的資源進(jìn)行制造，例如月球上發(fā)現(xiàn)的材料。

另一個重大挑戰(zhàn)是將功率傳輸回地球。該計劃是將太陽能電池中的電能轉(zhuǎn)換為能量波，并利用電磁場將其向下傳遞到地球表面的天線。天線然后將波轉(zhuǎn)換回電能。由日本航空航天局領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已經(jīng)開發(fā)了設(shè)計并展示了一種能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的軌道系統(tǒng)。

在這個領(lǐng)域仍然有很多工作要做，但是目標(biāo)是在未來幾十年中實現(xiàn)太空中的太陽能發(fā)電站成為現(xiàn)實。中國的研究人員設(shè)計了一個名為Omega的系統(tǒng)，目標(biāo)是到2050年投入運行。該系統(tǒng)應(yīng)能夠以最高性能向地球電網(wǎng)提供2GW的電力，這是一個巨大的數(shù)目。為了用地球上的太陽能電池板產(chǎn)生那么多的電力，您將需要超過600萬個。