2022-10-30 12:26:28

从太空发射清洁能源——加州理工学院的“非凡和前所未有的项目”

在太空中收集太阳能,并通过微波将能量无线传输到地球,使地面电力不受天气或时间的影响。太阳能在地球上任何地方都可以持续使用。信贷:加州理工学院

能够在太空中收集太阳能并将其传输到地球上,为全球提供清洁和负担得起的能源的技术曾经被认为是科幻小说。现在,它正在向现实靠拢。通过天基太阳能发电项目(SSPP),加州理工学院(Caltech)的一组研究人员正在部署一个模块化航天器星座,收集阳光,将其转化为电能,然后将电能无线传输到任何需要的地方。他们甚至可以把它送到目前没有可靠电力的地方。

“这是一个非同寻常的、前所未有的项目,”SSPP研究员、加州理工学院工程与应用科学部奥蒂斯·布斯领导**哈里·阿特沃特说。“它体现了应对我们这个时代最重大挑战之一——向世界提供清洁和负担得起的能源——所需的勇气和雄心。”

阿特沃特还是霍华德休斯应用物理和材料科学教授,他与另外两位研究人员共同领导这个项目:电气工程布伦教授、SSPP联合主任Ali Hajimiri;航空航天和土木工程的Joyce和Kent Kresa教授,SSPP的联合主任,喷气推进实验室(JPL)的高级研究科学家。

在太空中利用太阳能依赖于三个主要领域的突破性进展:

阿特沃特的研究小组正在设计超轻高效的光伏材料 将光转化为电能),这些都是为航天公司而优化的 与集成模块化电源公司的条件和兼容 反版和传动系统。Hajimiri的研究团队正在开发一种低成本、轻量化的技术 把直流电转换成射频电源(例如,用来传输手机信号),并以微波的形式发送到地球上。Hajimiri解释说,这个过程是安全的。Non-io 地表的辐射比站在阳光下的危害要小得多。此外,该系统可以在损坏或故障的情况下迅速关闭。佩莱格里诺的团队正在发明可折叠、超薄和超轻的空间结构,以支持光伏和compo Nents需要转换、传输和引导射频功率到哪里 这是必要的。

研究人员设想的系统的基本单元是一个4英寸乘4英寸的瓷砖,重量不到十分之一盎司。成千上万块这样的瓷砖将组合成一个像飞毯一样的卫星系统,一旦展开,就会形成一个3.5平方英里的阳光收集表面。

SSPP的工作得到了欧文公司(Irvine Company)董事长唐纳德·布伦(Donald brenn)和他的妻子布里吉特·布伦(Brigitte brenn)逾1亿美元的资助,唐纳德是加州理工学院社区的终身成员。布伦是加州理工学院的受托人。诺斯罗普·格鲁曼公司为初步可行性研究提供了资金。

阿特沃特、哈吉里和佩莱格里诺讨论了他们的进展,以及天基太阳能的转化潜力,因为该项目接近一个重要的里程碑:原型机将于2022年12月测试发射到太空。

一组小型太阳能电池板是空间太阳能发电项目的一部分,它集成了光伏、电力传输电路和波束转向。信贷:加州理工学院

描述Space-ba背后的愿景sed太阳能发电项目。这个项目是如何形成的?

塞尔吉奥·佩莱格里诺:十多年前,也就是2011年,唐纳德·布伦询问加州理工学院是否对可持续能源和太空领域的研究有任何想法。我们开始在一群教职员工中讨论如何建立我们的兴趣,以及我们每个领域正在发生的事情,这些可能会导致一个非常有影响力的研究计划。在几个月的时间里,我们提出了一个愿景——我称之为梦想——三到四个技术突破,结合在一起,将改变太空太阳能以前的使用方式。

Ali Hajimiri:这个概念在过去是真正的科幻小说。让我们有可能把它从科幻小说的领域变成现实的是哈里实验室的光伏发展,塞尔吉奥实验室的结构发展,以及我实验室正在进行的无线电力传输发展的结合。我们意识到,我们现在可以以一种既实用又经济的方式利用太空太阳能。

人们首先会问的一个问题是,“你为什么要把光伏设备放到太空中?”在太空中,你没有白天和黑夜,没有云,没有诸如此类的东西,你能获得大约8倍的能量。这个项目的愿景是能够提供尽可能多的电力,你需要它,在你需要它的地方,当你需要它。

(从左到右)Sergio Pellegrino教授、Harry Atwater教授、Ali Hajimiri教授。图片来源:加州理工学院Steve Babuljak

在实现这一雄心勃勃的愿景方面,你取得了哪些进展?

佩莱格里诺:在两年的时间里,我们制作并展示了一个瓷砖原型。这是捕获阳光并传输能量的关键模块化元素。通过这个过程,我们学到了很多关于如何设计这种高度集成和超轻系统的知识。然后我们开发了第二个原型机,比第一个轻33%。

Hajimiri:就像Sergio提到的,这个贴图是更大系统的基石。它必须是功能齐全、兼容并可扩展的。虽然听起来很简单,但实际上很复杂。这些瓷砖被安装在一个非常灵活的结构上,可以折叠,以适应运载火箭。一旦部署,结构就会扩展,瓦片协同同步工作,产生能量,转换它,并将它精确地转移到你需要的地方,而不是其他地方。

你能告诉我们什么这个项目的下一阶段是什么?

阿特沃特:直到你真正进入太空,它才会变得真实。正如Sergio和Ali所描述的,我们在实验室中演示了这个叫做瓷砖的关键单元元素。从那一系列的演示中得到的教训之一是,我们需要遵循的光伏途径必须从根本上改变。我们使用的是我所谓的传统光伏材料,它必须设计成一种很难达到单位面积质量和特定功率目标的形式,所以我们基本上必须彻底重新思考光伏战略。因此,我们在太空中测试的光伏设备实际上从未在太空中飞行过。

佩莱格里诺:今天大多数航天器都有太阳能电池阵列——光伏电池连接到载体结构上——但不是用这种材料,也没有折叠到我们已经达到的尺寸。受折纸艺术的启发,通过使用新颖的折叠技术,我们能够显著降低巨型发射航天器的尺寸。包装很紧,基本上没有任何空隙。

Hajimiri:这种性质的无线电力传输还没有在太空中演示过。我们还用灵活、轻便的材料来证明这一点,而不一定是刚性结构。这增加了复杂性。

如果太空太阳能成为现实,它会对社会产生什么影响?

Hajimiri:它将彻底改变能源的性质和获取方式,使其变得无处不在,成为可分配的能源。你可以把它送到你需要的地方。这种能量的重定向不需要任何机械运动,完全通过使用聚焦阵列的电子手段实现,这使得它非常快。

阿特沃特:我想可以说布伦夫妇的愿景是做一些事情,就像阿里提到的,最初几乎是从科幻小说中出现的,做一些会成为世界大规模能源的事情。

佩莱格里诺:我们已经有JPL的合作者加入了我们的团队,当我们开始思考这些太空演示时,这种合作变得非常强大和有用。关于能源的讨论实际上也延伸到了太空探索中。我们正在为喷气推进实验室思考未来任务的方式打开新的篇章。

说到合作,跨研究领域的工作是SSPP成功的不可或缺的一部分。在一个长期项目的过程中如此紧密地合作是什么感觉?

Hajimiri:学生们,博士后们,我们所有人都在密切地合作,我们在彼此的领域学到了很多东西。无论从项目的最终结果还是从学生得到的培训来看,这都是一个比各个部分相加更有效果的结果。这种训练对未来的空间技术非常重要,无论是无线电力传输、通信、空间结构,还是其他我们还没有考虑过的应用。

阿特沃特:我以前一直在光伏领域工作,但在这次机会出现之前,我做梦也没有想过自己会参与到太空中来。对我来说,这是一扇通向全新科学世界的窗户。这是非常令人兴奋的。

佩莱格里诺:有时我们会觉得我们在推动同事去做一些他们显然认为不可能的事情,但后来发现并非不可能。那是一种美妙的感觉。这是一种不同的研究,你在自己的领域尽你所能,但你也利用与其他领域的接口,一个真正将造福社会的集体系统。造福社会是一件比在自己的领域里做好工作要复杂得多的事情。这更具挑战性。