━━━ ━━━
試想一下，從高空俯瞰東京灣，看到海港內一座3千米長的人工島。一張龐大的網路覆蓋整座島嶼，網上綴滿50億條微小的整流天線，將微波能量轉化為直流電。島上還有一個變電站，透過一條海底電纜將電力輸送到東京，以幫助維持京濱工業區內工廠的日常運作和澀谷閃耀的霓虹燈。但是，你無法看到最有趣的部分。地球同步軌道上幾個巨大的太陽能集熱器從地球上空3.6萬千米處將微波傳送到島嶼上。
太空太陽能發電曾是以往許多研究的主題，並且幾十年以來一直出現在科幻作品中。根據日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研究人員的一份提案，這種技術可能會在25年內最終成為現實。該機構在太空太陽能發電系統研究領域處於世界領先水平，目前已制定了一份技術路線圖，提出了一系列地面和軌道論證，表示將於21世紀30年代研發完成一個發電量達1千兆瓦的商用系統——大約等同於一個典型的核發電站。
這無疑是一個宏偉的計劃。但技術和社會因素的結合卻讓其廣為流行，在日本尤為如此。在技術層面，無線電力傳輸的最新進展允許移動天線進行協調，以便跨越廣闊距離，準確地傳送波束。與此同時，公眾對於燃燒化石燃料產生的溫室氣體所造成的氣候效應的關注進一步增強，促使採用替代能源。收集太陽能和風能的可再生能源技術持續改進，但大規模的太陽能和風力發電場佔據大片土地，並且只能間歇供電。而另一方面，地球同步軌道上的太空太陽能集熱器可以幾乎全天24小時發電。日本對於尋找實用的清潔能源特別感興趣：福島第一核電站事故促使其全面、系統地尋找替代能源，但日本缺乏化石燃料資源以及適合建設可再生能源發電站的空置土地。
人類在六十多年前發明了能將太陽光直接轉化為電能的矽基光伏電池。不久之後，人們認識到，太空是執行這種轉換的最佳場所。美國航空航天工程師彼得•格拉澤（Peter Glaser）於1968年首次正式提出這一概念。在一篇具有開創性的論文中，他承認建造、啟用和操作這些衛星將面臨各種挑戰，但同時指出，改進的光伏發電和太空技術將很快讓這些工作變得可行。早在20世紀70年代，NASA和美國能源部就對太空太陽能發電開展了認真的研究，此後數十年來，已提出了多種型別的太陽能發電衛星（SPS）。出於成本和技術可行性方面的顧慮，這類衛星尚未被送入軌道。但是近些年來，相關技術已取得了巨大進展。現在是時候再次研究太空太陽能發電技術了。
━━━ ━━━
一個容量為10億瓦的商用SPS將會擁有龐大的結構，重量超過1萬噸，長度達幾千米。要在這類衛星上建成並操作一個電力系統，我們需要掌握以下6個方面的技術：無線電力傳輸、太空運輸、軌道大型結構建設、衛星姿態和軌道控制、發電和電源管理。在上述6種挑戰中，無線電力傳輸仍是最為艱鉅的，因此，這是JAXA的研究重點所在。
自從尼古拉•特斯拉（NikolaTesla）在19世紀末進行相關試驗以來，無線電力傳輸一直是研究熱點。1901年，特斯拉在紐約長島開始建造一座57米高的發射塔，希望用它向移動的飛船等目標傳送電力，但他的夢想還沒實現，資助就被取消了。
在毫米級或釐米級的距離上傳輸電力時（例如，用底座為電動牙刷充電，或在公路上為電動汽車充電），電磁感應表現良好。但在長距離上傳輸電力時，只有將電轉換為鐳射或微波束，才能有效完成。
鐳射法的主要優缺點都與其較短的波長有關，對於這種應用來說，波長大約為1微米。相對較小的元件可以發射、接收此類波長的鐳射，而對於10億瓦的裝置來說，太空中的發射光學元件長度約為1米，地面上接收站的長度則將達到幾百米。然而，短波鐳射通常會被大氣阻攔；雲中的水分子會像吸收或散射陽光一樣對待鐳射束。沒人想要一個只能在天空晴朗時工作的太空太陽能發電系統。
但是微波（例如波長在5到10釐米之間的微波）不會有這類傳輸問題。微波還具有適合太空太陽能發電系統的效率優勢，在這裡電力必須轉換兩次：首先從直流電轉換成衛星上的微波，然後從微波轉換成地面上的直流電。在實驗室條件下，研究人員已在兩端實現約80%的功率轉換效率。電子產品公司目前正努力在市場上可以買到的元件（例如基於氮化鎵半導體的可在微波發射機中使用的功率放大器）上實現這種轉換率。
在追求衛星最優設計的過程中，JAXA的研究人員致力於兩種不同的概念。在其中比較基礎的概念中，一個巨大的方形太陽能板（邊長2千米）頂部表面覆蓋著光伏元件，底部佈滿發射天線。該太陽能板將由數條來自小型平臺的10千米繫留線掛起。平臺中放置衛星的控制和通訊系統。
透過採用一種稱為“重力梯度穩定”的技術，平臺還可以作為巨大光伏板的平衡器。光伏板距離地球越近，就會越多地受到地球的引力作用，離心力越小，而平臺將被相反的作用向上拉。這種力的平衡將使衛星位保持在穩定的軌道上，因此無需任何主動姿態控制系統，節省了數百萬美元的燃料費用。
這種基本的SPS配置存在的問題是發電率不穩定。由於光伏電池板是固定的，照射到其上方的太陽光總量隨著地球同步衛星和地球自轉而產生巨大的變化。
因此，JAXA已提出了一個更為先進的SPS概念，透過使用兩個巨大的反射鏡，解決太陽能收集問題。反射鏡安放的位置將確保它們會全天24小時將光線導向兩個光伏板。兩個反射鏡可以自由飛動，而不是拴在太陽能板或單獨的傳輸單元上，這意味著我們將不得不掌握一種複雜的編隊飛行，來實施這種系統。航天機構有一定的編隊飛行經驗，主要體現在國際空間站內執行的對接機動。但目前的對接程式還遠做不到協調涉及千米級結構的編隊飛行。
在能夠建造這種先進型別的SPS之前，我們還不得不實現其他幾項突破。我們需要非常輕的材料來製造反射鏡結構，以允許編隊飛行；還需要電壓極其高的電力傳輸線纜，以便能夠以最低的電阻損耗將電力從太陽能板導向傳輸單元。此類技術可能需要數年時間才能實現，因此，如果一個或多個國家開始啟動開發太空太陽能的長期專案，他們可能會採用“兩步走”的方案，即先採用基本模型，同時讓研究人員研發下一代系統所需的技術。
為了生成微波，研究人員曾提議使用真空管，例如磁控管、速調管或行波管，因為它們的功率轉換效率相當高（通常在70%以上），並且相對便宜。然而，半導體放大器的效能越來越好，效率不斷提高，價格一直下降。在這方面，成本非常重要，因為一個10億瓦的商用SPS將包含至少1億個10瓦半導體放大器。
要選擇一個微波頻率進行傳輸，我們必須權衡幾個因素。低頻率的微波可以很好地穿過大氣層，但是需要非常大的天線，這會讓建造和維護變得更為複雜。1到10千兆赫之間的頻率是平衡天線尺寸和大氣衰減的最佳選擇。在這個範圍內，2.45和5.8千兆赫可能作為候選頻率，因為它們在預留用於工業、科學和醫療用途的頻段內。其中，5.8千兆赫似乎格外適合，因為需要的發射天線尺寸較小。
━━━ ━━━
製作強大的微波束當然非常重要，但下一步更加棘手：精確地瞄準微波束，讓它在傳輸3.6萬千米後準確地擊中整流天線。
微波傳輸系統將由若干天線板組成，每個天線板長度大約為5米，上面覆蓋著微小天線（一個SPS上安裝的天線總數很可能超過10億），因此協調由這個龐大天線群產生的微波並非易事。要生成一個單一、精確的聚焦束，必須對從所有天線板發出的微波的相位進行同步處理。這將很難管理，因為這些天線板會進行相對移動。
從移動源準確地對準波束是種獨特挑戰，現有通訊技術尚未解決這一難題。波束的散度必須非常小，防止其擴散到過大的區域。要在5.8千兆赫頻率上向直徑3千米的整流天線傳送電力，散度必須限制在100微弧度，且波束的指向精度必須為10微弧度。
JAXA的解決方案包括從地面整流天線發出一個導頻訊號。衛星上每個單獨的天線板收到導頻訊號時，都會計算其微波所需的必要相位，並作出相應的調整。所有這些調整值的總和形成一個窄束，向下穿過大氣層，擊中整流天線。這種相位調整技術稱為“反向系統”，已在太空的小規模天線陣列中使用，但還需要一些額外工作，才可以用於協調數千米長的軌道發射器。
一旦波束到達接收站點，該過程的其餘部分將比較容易。整流天線陣列會將微波功率轉換成直流電，效率大於80%。然後，直流電會轉換成交流電，饋入電網。
當非專業人士聽到這些所描述的軌道太陽能發電場時，他們通常會問，向地球傳送強大的微波束是否安全，在途中會不會烤熟東西，就像微波爐裡的食物一樣？一些人腦海裡甚至浮現出天空中掉落烤海鷗的可怕畫面。事實上，波束的強度甚至不足以為你加熱咖啡。在商用SPS系統的波束中心，功率強度將為1千瓦/平方米，大約等同於陽光的強度。人體持續暴露於微波的監管限值通常設定為10瓦/平方米，因此整流天線站點必須為受限制區域，並且進入該區域的維護工作人員必須採取簡單的防護措施，例如穿上防護服。但整流天線站點以外的區域將非常安全。在距離中心2千米處，波束的功率強度已經降到監管臨界值以下了。
2008年，在夏威夷主島山頂上，一條整流天線收到茂宜島一座火山斜坡上發來的微波束，相距大約150千米。該示範專案由前NASA物理學家約翰•曼金斯（John Mankins）負責，並拍攝成節目在探索頻道播放，其目標並不宏偉：茂宜島上太陽能板的發電功率只有20瓦，然後發射到主島。這種設定遠非理想，因為在穿過稠密大氣層的平行傳輸過程中，微波相位會受到干擾。大多數功率在傳輸過程中損耗，主島上收到的功率不到1微瓦。但是該試驗的確向欣賞這一技術的公眾展示了基本原理。並且值得記住的是，在基於太空的系統中，微波只在傳輸過程的最後幾千米內才需要穿過稠密的大氣層。
我們為日本規劃了一系列示範專案。包括進行一次地面試驗，將數百瓦的波束傳輸大約50米。該專案由JAXA和日本太空系統（Japan Space Systems）提供資金，它將是世界上首個大功率、長距離微波傳輸示範專案，並增加了反向天線波束控制這一關鍵技術。微波發射器由4個單獨面板組成，可以做相對移動，以模擬軌道內的天線移動。每個面板的面積為0.6米×0.6米，包含數百個微型發射天線和接收天線（用於監測導頻訊號）以及相位控制器和電力管理系統。每個面板將發射400瓦功率，因此總波束的功率將為1.6千瓦。在早期階段的試驗中，整流天線的輸出功率達到350瓦。
接下來，JAXA的研究人員希望在太空中執行首個微波電力傳輸試驗，從低地球軌道向地面傳送幾千瓦。這將會對硬體進行徹底檢驗：我們希望展示微波波束控制，評估系統的整體效率，並驗證微波束不會干擾現有的通訊基礎設施。我們還需要執行其他空間科學專案。我們希望確定的是，密集的微波束不會被電離層（包含帶電粒子的上層大氣層）的等離子扭曲或吸收。我們非常確定的是，波束不會與這種等離子相互作用，但我們的假設要在太空環境中得到證實。
如果這些初步的地面和空間試驗進展順利，情況將開始變得非常樂觀。JAXA的技術路線圖要求在2020年左右開始進行100千瓦的SPS示範專案。工程師們將在此階段驗證商用太空太陽能發電系統所需的全部基礎技術。
首先建造一個2兆瓦的發電場並投放軌道，然後是200兆瓦，接下來很可能就需要一個國際財團的支援，例如那些為世界超大型粒子物理實驗專案出資的財團。在這種情況下，一個全球性組織可能在本世紀30年代開始建造一個1千兆瓦的商用SPS。
這將非常困難且耗資不菲，但會帶來巨大回報，且並非只在經濟層面。縱觀人類歷史，每次引入一種新能源——從柴火開始，發展到煤、石油、天然氣和核能——都會引起生活方式的變革。如果人類真正接受太空太陽能發電，遍佈地球同步軌道的衛星可提供幾乎用之不竭的能源，終結地球上能源帶來的最大沖突。隨著我們將更多的日常生活類機械投放太空，我們將開始在地球以外創造一種繁榮且和平的文明。
作者：Susumu Sasaki
