人類首次！5千米高空隔空輸電，他們計劃從太空發(fā)電送回地球

本文轉(zhuǎn)載自公眾號“環(huán)球科學(xué)”（id：huanqiukexue）

Overview Engergy公司太空輸電概念圖（非本次實(shí)驗(yàn)）丨Overview Energy

比從太空傳難。

撰文 | 冬鳶

審校 | 王昱

2025年11月晚，一架單引擎渦槳飛機(jī)飛翔在美國賓夕法尼亞5000多米的高空。飛機(jī)又小又慢，高空的風(fēng)卻很大，飛行得有些許勉強(qiáng)——但這正是把這架飛機(jī)送上天的人希望看到的。

實(shí)驗(yàn)所用飛機(jī)丨Overview Energy

這架飛機(jī)上裝著激光器和一些光學(xué)器件，以及一塊很大的電池以及配套的冷卻系統(tǒng)。它正在執(zhí)行一項史無前例的任務(wù)——飛機(jī)在天空中的強(qiáng)烈湍流中高速移動時，向地面遠(yuǎn)程輸送電能。

這是有史以來首次在任何移動平臺上演示高功率無線電力傳輸，來自能源公司Overview Energy。下一步，他們便準(zhǔn)備把飛機(jī)換成衛(wèi)星，從太空中傳輸能量回地球了。從某種程度上來說，這其實(shí)比飛機(jī)容易，因?yàn)樘罩协h(huán)境更穩(wěn)定，不像飛機(jī)那樣受湍流的影響。

飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)丨Overview Energy

至于為什么要從太空中傳輸電力，還得從上個上個世紀(jì)中葉講起。

從科幻到現(xiàn)實(shí)

1941年，科幻作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）就在短篇小說《推理》（Reason）中設(shè)想了一個未來世界，那里的人類能直接在太空中收集太空的能量，將其傳回地面作為能源使用。而那時距離人類第一次在太空中使用太陽能板還有20年。

1968年，科學(xué)家彼得·格拉澤（Peter Glaser）在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表文章，正式在科學(xué)領(lǐng)域提出了從太空獲取能量的設(shè)想，其核心理念簡單而誘人：地球上的太陽能受限于黑夜、云層以及大氣層的過濾作用。但在太空中，陽光不僅不會中斷，強(qiáng)度也遠(yuǎn)超地面。這一設(shè)想被稱作太空太陽能（Space-based solar power, SBSP）：利用巨大的衛(wèi)星在太空中捕捉取之不盡的太陽能，通過無線方式將其傳輸回地球，為我們的城市供電。

NASA在1976年對于太空太陽能的設(shè)想丨NASA

近年來衛(wèi)星技術(shù)、太陽能電池和無線傳輸技術(shù)的進(jìn)步，讓這一設(shè)想越來越可能實(shí)現(xiàn)了。科學(xué)家的設(shè)想是，將巨型衛(wèi)星發(fā)射到太空，通常是距離地面3.6萬千米的地球靜止軌道（GEO）上。在這里，衛(wèi)星相對于地面保持靜止，并且一年中99%的時間都能被陽光照射。衛(wèi)星上安裝的巨大太陽能電池陣列會把陽光轉(zhuǎn)換為電力，然后將電能變成高頻率的微波或激光束，傳送到地面接收站。地面接收站通過整流天線（rectenna）等裝置捕獲微波能量，再將其轉(zhuǎn)換回電能送入電網(wǎng)，供城市和設(shè)施使用。

雖然地球上也有不少可再生能源，但它們大多不是隨時可用的——風(fēng)總有停的時候，太陽也遲早會落到地平線以下。但空間太陽能卻可以像核電站或煤電廠一樣全天候24小時發(fā)電，而且還是零碳排放。此外，由于沒有大氣層散射光線，太空中的陽光強(qiáng)度比地面高出約30%。一顆衛(wèi)星理論上可以提供吉瓦級的電力，足以點(diǎn)亮一座大城市。

設(shè)想圖丨Caltech

如今，多個國家和組織也都在積極試驗(yàn)空間太陽能技術(shù)。2022年，中國西安電子科技大學(xué)的“逐日工程”取得重要階段性成果，研究人員建成了一座75米高的測試塔，驗(yàn)證了能量采集和無線傳輸?shù)娜溌芳夹g(shù)。2023年，美國加州理工學(xué)院的“MAPLE”實(shí)驗(yàn)首次在軌道上成功實(shí)現(xiàn)了無線能量傳輸，證明了該物理原理在太空中是可行的。歐洲空間局（ESA）批準(zhǔn)了“SOLARIS”計劃以研究技術(shù)可行性，而英國的“Space Solar”項目正在開放一種名為CASSIOPeiA的獨(dú)特衛(wèi)星設(shè)計，能夠360度靈活導(dǎo)向能量束。

目前的挑戰(zhàn)

盡管前景誘人，但空間太陽能也面臨巨大技術(shù)和成本挑戰(zhàn)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這一設(shè)想，需要構(gòu)建十分龐大的結(jié)構(gòu)。例如，CASSIOPeiA的設(shè)想中，需要寬約1.7千米的太陽能陣列。組裝如此巨大的結(jié)構(gòu)需要先進(jìn)的技術(shù)，并且大量發(fā)射火箭。據(jù)估計，僅將這么大的組建送入軌道就可能需要68次星艦發(fā)射。在太空建設(shè)和維護(hù)這樣的大規(guī)模系統(tǒng)也從未有過先例。此外，工程師還必須應(yīng)對空間碎片、輻射、極端溫度變化等問題。無線傳輸電力時，也需要極其精確地對準(zhǔn)發(fā)射器和地面接收站，否則能量可能偏離目標(biāo)。此外，還需要明確的研究能證明這些能量傳輸對任何自然都無危害，所有這些都增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

在成本方面，發(fā)射成千上萬噸硬件到太空非常昂貴。據(jù)美國航空航天局（NASA）的分析，要使太空太陽能發(fā)電站具備商業(yè)可行性并與地面能源競爭，發(fā)射成本必須大幅降低，從目前的每千克數(shù)萬美元降至僅數(shù)百美元。此外，每道技術(shù)環(huán)節(jié)都有能量損失：從光伏到電力，再轉(zhuǎn)換為波穿越大氣，最后由整流天線接收，各個步驟都不是百分百高效。目前最好的太空級別光伏電池效率也只有約30%至40%，而其它關(guān)鍵組件也需要提高效率。所有這些都意味著，需要長期的技術(shù)突破和大規(guī)模投資才能讓太空太陽能成為現(xiàn)實(shí)。

太陽能板設(shè)想圖丨Caltech

而此次Overview Energy的飛機(jī)實(shí)驗(yàn)，正是在攻克太空太陽能領(lǐng)域的一個棘手難題，他們證明了，即使是在相對不穩(wěn)定的環(huán)境下，遠(yuǎn)距離無線傳輸能量的各個組件都可以完美集成。他們表示，從飛機(jī)上瞄準(zhǔn)地面的接收裝置實(shí)際上會比從衛(wèi)星上瞄準(zhǔn)更加困難，因?yàn)轱w機(jī)會受到湍流的影響，并且相對于地面接受站的角速度更高。而這次實(shí)驗(yàn)的成功讓他們對接下來的計劃充滿信心，他們計劃于2029～2030年發(fā)射首批地球同步軌道衛(wèi)星，屆時它們將有約99%的時間能接收到太陽光。

此外，還有許多其他國家和機(jī)構(gòu)正在不斷努力。如果太空太陽能能夠?qū)崿F(xiàn)，它將為清潔能源提供全新方案。太空電站可以全天候提供穩(wěn)定的基荷電力，彌補(bǔ)地面風(fēng)能和太陽能發(fā)電的缺陷，幫助電網(wǎng)更平穩(wěn)運(yùn)行并減少對煤炭和天然氣的依賴。此外，太空太陽能可以向地球上的任何地方輸送電力。比如，偏遠(yuǎn)島嶼、海上平臺或者災(zāi)區(qū)都可以通過在本地安裝接受裝置，直接從太空軌道上接受能量。甚至在未來，還可以通過這種方式為月球基地或深空航天器提供能量。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.overviewenergy.com/updates/airborne

[2]https://www.overviewenergy.com/updates/space-to-grid

[3]https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

[4]https://news.xidian.edu.cn/info/2106/220926.htm

[5]https://singularityhub.com/2018/12/31/why-the-future-of-solar-power-is-from-space/

[6]https://addsdonna.com/old-website/ADDS_DONNA/Science_Fiction_files/2_Asimov_Reason.pdf

[7]https://www.qub.ac.uk/News/Allnews/2024/solar-farms-in-space-new-research.html#:~:text=Space%20Solar's%20power%20satellite%20design,the%20beam%20through%20360%20degrees.

[8]https://www.signalsaz.com/articles/how-was-a-wireless-energy-transfer-achieved-in-space/#:~:text=The%20wireless%20power%20transfer%20was,Solar%20Power%20Project%20(SSPP).

[9]https://www.spacesolar.caltech.edu/timeline-1/

[10]https://spectrum.ieee.org/space-based-solar-power-2667878868#:~:text=The%20glamorous%20vision%20has%20inspired,floated%20but%20not%20yet%20funded

https://harvardtechnologyreview.com/2025/09/05/the-future-of-energy-unlocking-the-potential-of-space-based-solar-power/#:~:text=High%20Upfront%20Costs%3A%C2%A0%20According%20to,components%2C%20further%20increasing%20the%20cost

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