你经历过电量还剩1%的时候吗？如果手机电量还剩1%你会做什么？找充电宝、充电线？如果都没有怎么办？你是否期待一种无线充电技术覆盖你生活的所有空间，再也不用担心手机没电的问题。
其实这项技术已经出现，即将应用于航天领域。因为中国将要在太空站建立一个比肩太空战舰的千吨级太空太阳能电站，利用“无线充电技术”，解决全人类的“电力焦虑”。今天就来给大家讲讲这个有望改变人类能源的新技术——空间发电站。
中国首个空间太阳能电站实验基地开始建设
我们都知道，地球上的能量来源大多是太阳。太阳造成地球表面的温度差异，从而衍生了风和水流等自然现象，太阳辐射也维持着生物圈的能量供给。所以人类开发了直接利用太阳能的技术，减少了中间转换的能量耗散，提高了能量利用效率。
尤其是在全球变暖的大背景和国内双碳政策下，我们已经逐步减少对化石能源的使用，因此我们需要开发新能源替代煤炭、石油，以满足人类社会的发展需要。减缓人类对化石能源的依赖，但新能源的开发实际效果却不理想，这是为什么？
第一点是自然发电的稳定性不足，风能依赖多风的天气，水能依赖丰水季节，太阳能只能在白天，一天平均10个小时的发电时间，不能达到24小时稳定的供电。
第二点是能源量级不高。水能、风能经过太阳能的层层转换，耗散严重；太阳辐射到达地面时，经过大气层的“过滤”，大部分的能量都被臭氧层吸收，利用率不高。
所以在1968年，美国科学家提出了构想，可以在环地球轨道上布置太阳能电池阵，收集太阳射线的能量。这些电池矩阵会和向日葵一样，随着太阳的相对位置的变化，来调整角度，最大程度地接收太阳辐射。
太空电站建设有哪些技术难点
你敢相信吗？中国正在太空上建设发电站，就是在赤道上空35786公里的地球静止轨道上，建设一个太阳能电池矩阵。这个电站的轨道的环绕周期和地球自转周期相同，环绕路线的中轴线和地球自转的中轴线也一样。一样的周期，一样的转动方向，一样的旋转中轴。
这样的设计是为了方便后续的能量传送，由于发电装置位于高空，一切有形的输电装置都不适用，只能使用无线输电方案。而发电站相对地球静止，为能量的无线传送创造了有利条件。
目前太阳能发电站的理想位置有两个，分别位于西经123°和东经57°附近，每年有277天是全日照，在春分和秋分只有75分钟的时间无法接收太阳辐射，但总的发电时间可达99%，发电稳定性方面不收天气、气候的影响。
同时，与地面上同规模的太阳能发电设备相比，空间发电站接收的能量是地面的6-15倍。太空中的发电装置可以布置得更为集中、密集，再加上发电稳定的特点，空间发电站是理想的新能源研究方向。
在这个领域，我国的研究自然不会落后。2021年6月18日，经过十多年的筹备，国内第一个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山开工建设。工程总投资26亿元，首期投资1亿元，将建成有实验、试验功能的核心实验区33亩，有科普教育、空间育种、太空旅游功能的外围隔离区167亩。
璧山空间太阳能电站实验基地的研究重点在太阳能空间发电站、无线微波传能、空间信息网等技术的模拟验证。
空间发电站应用前景巨大，但目前整个系统还在设计当中，尤其是能量传送走什么样的技术路线？空间发电站的安装、使用、维护问题如何解决？这些都是问题。
争论最多的当属能量传输的技术路线问题。主流能量传输方案有两种，美国主要研发通过微波传输能量，而俄罗斯则使用激光传输方案。
两种技术方案各有所长。微波的应用已经较为成熟，能量转化和传输效率较高，特定波段能够很好地穿过云层，且能量密度低，安全性好。但微波的波束宽，需要超大的发射和接收天线，地面上的接收装置也非常大。
激光的方向性好，能量密度非常大，这也决定了激光的波束窄，其发射和接收装置都较小。但难点在大功率的激光技术不成熟，从四万公里的高空将激光高精度地指向地面的接收装置难度较高。激光能量很高，一旦出现指向偏差会造成很大的安全隐患。同时激光的大气透过性差，需要在晴朗的天气才能实现高效能量传输，其传输稳定性受到天气的影响。综合来看微波的技术更加便捷。
选择好了输电装置，发电站的发射和安装也是个不小的工作，要将大量的设备元件运到太空本身就是一件巨大的工程。设备元件的安装要在地球静止轨道上进行，说是静止轨道，其卫星以每秒3075米的速度处在高速环绕飞行当中。在这个轨道实现设备安装，类似于空间交会对接，需要飞船和设备在低轨道高速运行，然后减速提升轨道；或者在较高轨道低速运行，飞船加速，才能实现对接。
这因为卫星是以恒定速度在同一轨道环绕飞行的（mg=mv^2/r）。轨道越高，速度越低。发电站的设备元件从发射开始就要经过精密的计算，特定的时间以特定的速度进入特定的轨道，分毫不差，才能实现像神舟十二号那样的交会对接。装好整个空间发电站，需要重复成百上千次。所以这也是微波方案的难点，要么加强微波波束的方向性，缩小发射接收装置的规模，要么能够实现大批量、大面积设备元件的安装。
除此之外其他问题也是亟待解决。比如空间发电站的系统面积和系统质量不能太大的同时，光电转化效率要非常高，这就需要研发高强度的基础材料。大量的设备安装需要可重复使用的轨道转移器。微波传输会有大量的微波逸散到自然界，对环境和生态系统造成的影响未知。就像人们害怕核电站和转基因食品一样，对潜在危险的害怕排斥，刻在我们的基因中，使用这套新技术的宣传工作可能也是一个难题。
千吨级太空电站建成将会改变什么？
空间太阳能电站作为跨时代的技术，面对的技术难题前所未有，距离真正的大范围投入使用还有很远，可能需要一代人的智慧和努力才能实现，但当空间电站的能源进入千万家的时候，我们的技术也会实现巨大飞跃，生活的面貌也会大不一样。
首先是能源方面，空间电站替代了化石能源，减缓了地球气温上升，我们可以将更多的精力放在如何固定、收集温室气体，彻底解决全球变暖问题。
第二是能够开发利用更多的能量。人类社会的发展程度可以从可利用能量的角度去衡量，人类学会使用火，便能够利用化学能源，制造陶器和生产熟食；学会了种植，便不受自然的限制，通过植物更多地获取太阳能，供人类使用，来让种群繁衍壮大；工业社会以来，人类学会了使用煤炭、石油等化石能源，也促使人类对能源的使用越来越细，效率更高。也让人类社会可以生产各种工业产品，极大地丰富了我们的生活，推动社会的不断向前发展。
而太空电站大范围投入使用，意味着我们对太阳能的开发利用达到了新的高度。我们掌握了更多的能量，全新的技术将被激活，推动人类科技的发展。让我们能眺望更远的地方。
第三是对微波技术有更好的应用和理解。突破了微波能量传输方案，未来的能源使用场景会大变样。或许不再使用电线，在用电设施和生产设施两端分别架设微波发射和接收设备，即可实现两地的能量传输，高压输电线将会被淘汰。
与此同时也许我们不用携带各式的充电器，因为微波发射系统，能够全覆盖地给我们的手机、电动车自动充电。
微波传输如果取代了有线传输，我们就不需要建设庞大的电气设施，节约了巨大的空间，未来的生活场景也会更简洁、高效。
第四是更好地利用和探索地外空间，向太空迈出了一大步。在轨大型设施的建设，让航空航天技术得到飞跃。届时，很多大型设施都会出现到太空。比如位于贵州的天眼——500米级别的球面射电望远镜，有可能建在太空。
届时空间站的规模也会扩大，随着航天技术的成熟宇宙观光旅游不是梦，太空移民也不是梦。总之，更多的地外空间被利用，逐渐实现大规模人群在太空和地球间转移的常态化，也更好的观测、探索地外空间。
山上的风景，在山脚下也可以想象，但只有真正爬上了山，才能领略到美妙的风景，验证我们的想象。每一段的攀登，都会站得更高，看到更远、更美的风景。重要的是脚下的路，可能会走弯路，可能会陷入疲惫，只要一步一步，就能越爬越高。
科学和社会的发展就是一座无止境的山峰，以我们掌握的知识量，还只是站在山脚走了一两步。一代一代攀登，一步一个脚印，总能站的更高，看的更远，见识更美的风景。
