美國(guó)軍事前哨需要大量電力，可這些前哨的位置通常都處于電力供應(yīng)不順暢的地方。在偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立工廠時(shí)，美國(guó)陸軍每次都無(wú)法準(zhǔn)確地建造太陽(yáng)能電池陣列；除此之外，化石燃料價(jià)格昂貴且很難運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。
美國(guó)陸軍需要的是一種在有限的基礎(chǔ)設(shè)施條件下便可在地球任意一個(gè)地方開(kāi)發(fā)利用的能源。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室則想出了一個(gè)解決方案：一組安裝在衛(wèi)星上的太陽(yáng)能電池陣列，其可在軌道上收集能量并將其傳送到地表。如此以來(lái)，在地球上的任何地方，地面服務(wù)人員的移動(dòng)設(shè)備都將能夠使用該種能源，為整個(gè)前沿作戰(zhàn)基地供電或僅用于無(wú)線電充電。
這聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)中的情節(jié)，非常的不可思議。但美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的工程師們卻表示，這個(gè)解決方案是有可能實(shí)現(xiàn)的，且他們正努力最早于2024 年就能夠進(jìn)行有關(guān)的技術(shù)演示。
這項(xiàng)提案被稱(chēng)為“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”。
“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”總工程師曼迪·索夫表示：“‘太空太陽(yáng)能增量示范及研究’是一種技術(shù)開(kāi)發(fā)組合。我們最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到射頻的電力傳輸——我們從太空收集的太陽(yáng)能來(lái)獲取能量，在軌道上將其轉(zhuǎn)換為射頻，然后再將其發(fā)射到地面，然后通過(guò)整流天線將其轉(zhuǎn)換為電力。”
美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為這個(gè)方案是可以實(shí)現(xiàn)的，只是需要一定的時(shí)間而已。“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”采用漸進(jìn)式方法，讓概念系統(tǒng)的幾個(gè)技術(shù)元素成熟起來(lái)，并會(huì)進(jìn)行三個(gè)示范項(xiàng)目。旗艦項(xiàng)目為“阿拉克涅”（取名自希臘神話(huà)中第一個(gè)變成蜘蛛的女人的名字），該項(xiàng)目將包括 2025 年的在軌演示。
“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”的主要承包商是諾斯洛普·格魯門(mén)公司。該公司獲得了價(jià)值 1 億美元的合同，其主要側(cè)重點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到射頻的轉(zhuǎn)換。曼迪·索夫表示，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室還在與其他公司合作研發(fā)高效太陽(yáng)能電池以及可部署太空架構(gòu)等。
曼迪·索夫表示，一部分的有關(guān)技術(shù)現(xiàn)已成熟，但它們的尺寸還得更小才行。其實(shí)，小型化是實(shí)現(xiàn)“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”所面對(duì)的主要挑戰(zhàn)之一。該系統(tǒng)在太空中的最終尺寸仍在討論中；不過(guò)，在很大程度上，這取決于美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)⒏鞣N組件小型化的程度及其可將整個(gè)結(jié)構(gòu)壓縮成發(fā)射有效載荷的程度。目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于太空任務(wù)而言，現(xiàn)有的一些可用技術(shù)太重了，因此美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室工作的大部分重心都在于重新設(shè)計(jì)這些解決方案以減少有關(guān)技術(shù)的質(zhì)量以及尺寸。
如此以來(lái)，從太陽(yáng)收集能量這一方案中的重中之重就是：太陽(yáng)能電池板。雖然有關(guān)技術(shù)一直處于改進(jìn)中，不過(guò)太陽(yáng)能電池板的表面積與其提供的電力之間通常存在著一定的相關(guān)性。倘如要為小型交通信號(hào)燈供電，也許 1 平方英尺的太陽(yáng)能電池板就足矣。而“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”將需要比這更多的電力以及太陽(yáng)能電池板。
曼迪·索夫表示：“在太陽(yáng)能到射頻的轉(zhuǎn)換方面，太陽(yáng)能面板越大越好，所以我們投入的資金以及技術(shù)越多就越好。”
“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”通信官雷切爾·德萊尼表示，根據(jù)美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)研究，該實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是能夠產(chǎn)生 1,000 千瓦的電力——這足以運(yùn)行一個(gè)前沿作戰(zhàn)基地。就此而言，GPS III 衛(wèi)星擁有四個(gè)衛(wèi)星陣列，分布在其48英尺的翼展上，共產(chǎn)生約 4,500瓦的功率。“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”將要擴(kuò)大太陽(yáng)能電池板的效率及其陣列的表面積，以達(dá)到工程師們的目標(biāo)電力值。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室想要采用可折疊的太陽(yáng)能電池板，這些太陽(yáng)能電池板可以壓縮成相對(duì)較小的有效載荷進(jìn)行發(fā)射，然后在軌道上就位后展開(kāi)。對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，這種方法挺尋常的，但對(duì)于“太空太陽(yáng)能增量示范及研究”中的太陽(yáng)能電池陣列的規(guī)模來(lái)說(shuō)，這方法應(yīng)該是新奇的。
近期，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的柯特蘭空軍基地建立了一個(gè)新的可部署結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室不僅將幫助有關(guān)工程師研發(fā)足以產(chǎn)生 1,000kW 的太陽(yáng)能電池陣列，還能有效地縮回以便進(jìn)行發(fā)射。該實(shí)驗(yàn)室有足夠的空間讓相關(guān)團(tuán)隊(duì)在抵消地球重力的同時(shí)部署完整的太陽(yáng)能電池陣列，幫助這些團(tuán)隊(duì)模擬衛(wèi)星在零重力空間環(huán)境中運(yùn)行的情況。如此以來(lái)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室就能夠采用更輕、體積更小的材料（這些材料在地球引力下可能無(wú)法使用，但在軌道上則可采用）來(lái)建造整顆衛(wèi)星。
節(jié)省空間的一個(gè)重要的創(chuàng)新設(shè)計(jì)——由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一種新型“夾心板”，它既可以收集太陽(yáng)能，又可以將其轉(zhuǎn)換為射頻。
曼迪·索夫表示：“一側(cè)收集太陽(yáng)能，另一側(cè)則將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成射頻，轉(zhuǎn)換的過(guò)程就發(fā)生在兩側(cè)之間。此外，我們也的確在努力讓這種‘夾心板’的厚度變薄、質(zhì)量更輕。”
在地表上采用的是整流天線，它將接收來(lái)自太空的射頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成可用功率。曼迪·索夫還表示，這項(xiàng)技術(shù)非常靈活。尺寸更大的整流天線可以安裝在前方作戰(zhàn)基地的每座建筑上，提供自太空獲得的持續(xù)能源。不過(guò)，其也可在更小的范圍內(nèi)使用。也許可以在士兵的帳篷中安裝一個(gè)較小的整流天線，讓他們?cè)谝巴鈺r(shí)可以為收音機(jī)以及其他電子設(shè)備充電。 美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室甚至還考慮了一種簡(jiǎn)單的傘狀設(shè)計(jì)，方便攜帶至野外——只需將其展開(kāi)，就有電力。
倘若有合適的設(shè)備，那么處于光束路徑上的任何人員都無(wú)需用到電線便可獲得電力。且光束覆蓋的范圍也很廣泛。設(shè)備的最終尺寸將取決于美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制而出的最終產(chǎn)品；不過(guò)，目前，有關(guān)工程師希望只需要用到一顆衛(wèi)星，光束的覆蓋范圍就能夠達(dá)到數(shù)十公里。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室想要讓整個(gè)衛(wèi)星群都由 12 顆稱(chēng)為“星河號(hào)”的衛(wèi)星組成，讓它們?cè)谥械厍蜍壍郎舷虻厍蛏系娜魏挝恢脗鬏旊娏Α?br />
此外，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室還與正在開(kāi)展類(lèi)似項(xiàng)目的美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作。2020年5月，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室將其自己的示范項(xiàng)目成果——光伏射頻天線模塊——隨著隱蔽的 X-37B 太空飛機(jī)進(jìn)入太空。目前，光伏射頻天線模塊正在對(duì)由美國(guó)海軍研發(fā)的太陽(yáng)能到射頻轉(zhuǎn)換面板進(jìn)行測(cè)試。
美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室自己的示范項(xiàng)目“阿拉克涅”會(huì)將射頻發(fā)射至另一個(gè)位置來(lái)更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到射頻的轉(zhuǎn)換。其將在太空中測(cè)試諾斯羅普·格魯曼公司的第一個(gè)“夾心板”。第一個(gè)太陽(yáng)能板預(yù)計(jì)將于 2024 財(cái)年交付，并于當(dāng)年晚些時(shí)候或 2025 年初進(jìn)行發(fā)射。
原標(biāo)題：美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室將研發(fā)一種太陽(yáng)能電池板，可為美國(guó)陸軍的地表行動(dòng)提供電力
掃描關(guān)注微信
寧德時(shí)代吳凱...
天合光能陳奕...
劉巖: 追光行...
黃震院士：大...