空间太阳能电站演示器预备开展在轨测试之际，《⾃然》盘点了空间太阳能的五⼤难题。100年来，⼈们⼀直梦想着把庞⼤的太阳能电池板阵列送进太空，再把太阳能电输送回地球。地⾯上的可再⽣能源有来源时断时续的问题，⽽空间轨道上的电池板能⼀直沐浴明亮的阳光，因⽽有持续供给能源的可能。如今，相关硬件和太空发射的成本都有所降低，使得这类想法开始显得可⾏起来。
世界各地的团队正在攻关空间太阳能系统的关键元件，其中美国加州理⼯学院（Caltech）的研究⼈员建造了⼀个空间太阳能系统的演示器，于2023年2⽉开展在轨实验。
欧空局（European Space Agency）正在研究在轨太阳能电池阵列向地球传输可再⽣能源的可能性。插画中，艺术家展现了这⼀能源传输过程。
｜European SPS Tower concept“这个系统⾥并没有什么需要新物理知识的新奇玩意。”“太阳计划”（the Solaris initiative）的共同领导⼈James Carpenter说。“太阳计划”是欧空局（European Space Agency）开展的⼀项可⾏性研究，如果结果理想，空间太阳能技术可能从2025年起进⾏充分研发。
Carpenter在荷兰的欧洲空间研究与技术中⼼（ESA’s European Space Research and Technology Centre）开展研究，他表示：“从经济性上看，空间太阳能可以与核电等能源媲美。”
只有⼤规模铺开设施，空间太阳能才可⾏。科学家的预想是，建造宽数千⽶的太阳能电池阵列，让它在离地球表⾯约36000千⽶的轨道运⾏。
电池阵列收集的能量将转化成微波，发射回地⾯的接收器；接收器的⾯积甚⾄⽐电池阵列更⼤。中国已经宣布，2028年将把⼀个兆瓦级的空间太阳能演示装置送⼊近地轨道，2030年再把⼀个空间太阳能系统送⼊更遥远的地球同步轨道。Carpenter表示，若资⾦充⾜，⾸个数千兆瓦级的空间太阳能电站或能于2040年前投⼊使⽤。上述进展固然令⼈兴奋，但空间太阳能系统仍⾯临巨⼤的技术障碍。
《⾃然》盘点了把空间太阳能变成现实的过程中，研究⼈员必须解决的五⼤难题：太空中如何建造太阳能农场？要产出1千兆瓦电⼒——相当于地球上⼀个发电站的产能——所需的在轨电池阵列⾯积超过1平⽅千⽶，⽐国际空间站（International Space Station）⼤了100多倍，⽽⼀个国际空间站的建设就花了整整10年。太阳能电池阵列将在太空中由可量产、可分别发射的模块组装⽽成。
Caltech的实验将把⼀个紧紧折叠的太阳能电池模块展开成餐桌⼤⼩的平板，但全尺⼨阵列的模块可达60⽶⻓。还有⼀些项⽬采⽤了不同的设计⽅案。其中，欧空局的“太阳计划”考虑采⽤螺旋状结构，⽽在中国，⻄安电⼦科技⼤学的“逐⽇⼯程”正在开发冠状太阳能采集器。两个项⽬都需利⽤机器⼈进⾏远程在轨组装，⽽这项新⽣的技术还不太成熟。
美国航空航天公司（the Aerospace Corporation）的太空经济学家Karen Jones表示，此类系统背后的⼯程“极其复杂”。Caltech希望把他们成形的弹性电池板送⼊太空，免去在太空中组合电池板的步骤，并采⽤算法校正各种影响电⼒传输的波动，从⽽规避模块组装问题。
英国朴茨茅斯⼤学（the University of Portsmouth）的化学⼯程师Jovana Radulovic指出，⽆论采⽤何种设计，都需要逐周发射部件，这么⼤的发射密度是前所未有的。
使⽤哪种太阳能电池板？为了控制发射成本，太阳能电池板需要重量轻、能效⾼。
物理学家David Homfray在英国政府与⺠间合作的“空间能源计划”（Space Energy Initiative）中担任技术带头⼈，他指出，每1千克电池板的发电功率应为1-2千瓦。这⼀电池板重量和发电功率之⽐的要求，⽐地球上使⽤的常规硅电池⾼了50倍左右。绝⼤多数设计⽅案⼒求采⽤聚光器、镜⾯等创新部件，增加太阳能电池板的曝光量。此外，空间太阳能电池板还需要耐受住强烈的太空辐射。
许多太空探测器使⽤了辐射耐受性强的太阳能光伏材料，然⽽此类材料过于昂贵，⽆法⽤于规模庞⼤的电池阵列。Radulovic表示，正因为此，研究⼈员需要了解⼀些成本更低的替代材料的性能如何。为此，Caltech的演示器搭载了⼀个实验，该实验将测试32个轻型光伏电池，其中包括低成本的钙钛电池。该项⽬的带头⼈之⼀Ali Hajimiri表示，“实验的⽬的是在⼀定程度上做⼀个寿命测试。
”Caltech的研究⼈员建造了⼀个空间太阳能系统的演示器，于2023年1⽉发射升空，⽬前正开展在轨测试。｜Caltech/Space Solar Power Project
太阳能电如何到达地球？这可以说是最⼤的难题。激光束传输能源效率可观，但可能被云阻挡。为避免这⼀问题，研究⼈员希望把太阳能电池阵列产⽣的电能转化成微波，因为微波可以穿过⼤⽓层，⽽损耗的能量不多。
然⽽，由于微波传输过程中会发⽣散射，⼯程师需要精⼼地让微波发射实现同步，并利⽤宽数千⽶的接收站收集微波。把太阳能转化为电能，再转化成微波，再在地⾯转化成电能，不可避免地会发⽣损耗。“没⼈会认真考虑采⽤空间太阳能的，除⾮损耗能⼤幅减少。”Radulovic说。欧空局估计，空间电池阵列接收到的太阳能，只要有10%-15%能输送到电⽹中，空间太阳能系统在经济上就是可⾏的。
但是，欧空局指出，要实现10%-15%的转化率，还需要多项能源转化技术取得⼤幅进展。2022年，⻄安电⼦科技⼤学的研究⼈员在地球上进⾏了⼀个⼩规模实验，利⽤微波将太阳能传输了55⽶。项⽬只采⽤了常规的硅电池，能源转化率约为2.4%。项⽬成员李勋表示，此次实验是⾸次在单个系统⾥完整演示微波传输能源的全部步骤。
据Hajimiri介绍，Caltech的演示器将⾸次在太空中进⾏微波传输和接收能源的实验，不过传输距离仅为30厘⽶。
花的⼯夫值得吗？多个航天机构和国家认为，空间太阳能或将有助于在2050年前实现碳中和⽬标。但是，Jones指出，“我们必须证明，空间太阳能对地球总的作⽤是正⾯的。
”空间太阳能当然远远⽐地⾯上的太阳能昂贵，但Carpenter指出，其成本是能与核电、采⽤碳捕捉技术的天然⽓等其它持续⽣产的低碳能源⼀较⾼下的——哪怕存储地⾯可再⽣能源有⼀些更加经济的⽅法，让空间太阳能电池阵列的经济性有所减弱。
与此同时，据英国斯特拉斯克莱德⼤学（the University of Strathclyde）的研究⼈员计算，⼀个空间太阳能电站的产出抵消其开发、建造、装配过程中排放的温室⽓体，仅需不到6年时间。“空间太阳能显得实在是很有竞争⼒。”Homfray说。不过，鉴于空间太阳能系统的设计和部署⽅式尚不确定，Radulovic对此类估算的可信度仍有疑问。
安全吗？出⼈意料的是，⽤微波从太空传输能源很安全。
微波频率将经过挑选，以免扰乱航空通讯。不仅如此，Carpenter还介绍道，因为微波的能量散布范围很⼴，地⾯接收站收到的平均能量密度仅为每平⽅⽶50瓦特，与微波炉泄露的⽆害微波相当。“可以认为，这个⽔平的⼈体微波辐射暴露，在正常的建议安全范围内。”Carpenter说。但是，研究⼈员尚需证明⼈类、动物及更⼴泛的环境不会遭受负⾯影响。
“我认为研究⼈员需要向同样遭遇过此类担忧的移动⽆线业界学习，不要轻视这些担忧，⽽要⽤研究证明安全性。”Jones说。