曾经被认为是科幻小说的技术，能够在太空中收集太阳能并将其传送到地球，以提供全球清洁和可负担的能源供应，正在向现实靠近。通过天基太阳能项目（SSPP），加州理工学院的一个研究小组正在努力部署一个模块化的航天器星座，收集阳光，将其转化为电力，然后将电力无线传输到需要的地方—包括目前无法获得可靠电力的地方。
“这是一个非同寻常和前所未有的项目，”SSPP研究员和加州理工学院工程和应用科学部的奥蒂斯-布斯领导主席哈里-阿特沃特说。”它体现了解决我们时代最重大的挑战之一所需的勇气和雄心，即为世界提供清洁和可负担的能源。
该项目由阿特沃特（他也是霍华德-休斯应用物理和材料科学教授）和另外两名研究人员共同领导。阿里-哈吉米里，布伦电气工程教授和SSPP的联合主任；以及塞尔吉奥-佩莱格里诺，乔伊斯和肯特-克雷萨航空航天和土木工程教授，SSPP的联合主任，以及喷气推进实验室（JPL）的高级研究科学家。
在太空中利用太阳能有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的高效光伏材料（将光转化为电的材料），这些材料针对空间条件进行了优化，并与集成的模块化电力转换和传输系统兼容。
- 哈吉米里的研究小组正在开发将直流电转换为射频功率（例如用于传输手机信号）并以微波形式发送到地球所需的低成本和轻质技术。哈吉米里解释说，这个过程是安全的。表面的非电离辐射比站在太阳下的危害要小得多。此外，该系统可以在出现损坏或故障的情况下迅速关闭。
- 佩莱格里诺的小组正在发明可折叠的、超薄的和超轻的空间结构，以支持光伏以及转换、传输和引导射频功率到需要的地方所需的组件。
研究人员设想的系统的基本单位是一块4英寸乘4英寸的瓦片，重量不到十分之一盎司。数十万块这样的瓦片将组合成一个飞毯般的卫星系统，一旦展开，将形成一个面积为3.5平方英里的阳光收集表面。
SSPP的工作得到了欧文公司董事长、加州理工学院社区的终身成员唐纳德-布伦和他的妻子、加州理工学院理事布里吉特-布伦超过1亿美元的资金支持。诺斯鲁普-格鲁曼公司为初步可行性研究提供了资金。
Atwater、Hajimiri和Pellegrino讨论了他们的进展以及天基太阳能的变革潜力，因为该项目接近一个重要的里程碑：2022年12月向太空测试发射原型。
描述一下天基太阳能项目背后的愿景，该项目是如何形成的？
佩莱格里诺：那是10多年前，也就是2011年，唐纳德-布伦开始谈话，询问加州理工学院在可持续能源和空间领域的研究时是否有任何想法。我们开始在一个教师小组中讨论如何在我们的兴趣基础上，以及在我们每个领域正在发生的可能导致一个非常有影响力的研究举措的事情。在几个月的时间里，我们提出了一个愿景—我称之为梦想—三或四项技术突破，结合起来，将改变以前处理空间太阳能的方式。
哈吉米里：这个概念在过去是真正的科幻小说。是什么让我们有可能考虑把它从科幻领域带到现实领域，是哈里实验室的光伏技术、塞尔吉奥实验室的结构以及我的实验室正在进行的无线电力传输的发展的结合。我们意识到，我们现在可以以一种既实用又经济的方式追求空间太阳能。
任何人问的第一个问题是，”你为什么要在太空中放置光伏？” 好吧，在太空中，你没有白天和黑夜，也没有云和诸如此类的东西，你可以得到大约八倍的能量。这个项目的愿景是能够在你需要的地方，在你需要的时候，提供尽可能多的电力。
在实现这一宏伟愿景方面，你们取得了哪些进展？
佩莱格里诺：在两年的时间里，我们建造并展示了一个原型瓦片。这是捕捉阳光和传输电力的关键模块元件。通过这个过程，我们学到了许多关于如何设计这种高度集成和超轻系统的东西。然后我们开发了第二个原型，比第一个原型轻33%。
哈吉米里：正如塞尔吉奥所提到的，这块瓷砖是更大系统的组成部分。它必须是功能齐全、兼容和可扩展的。虽然它听起来很简单，但实际上相当复杂。这些瓦片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，该结构就会膨胀，瓦片就会协同工作，同步产生能量，转换能量，并准确地将其转移到你需要的地方，而不是其他地方。
关于这个项目的下一阶段，你能告诉我们什么？
阿特沃特：在你真正进入太空之前，它不会变得真实。正如塞尔吉奥和阿里所描述的那样，我们在实验室里演示了这个叫做瓦片的关键单元元素。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从根本上必须改变。我们正在使用我称之为传统的光伏材料，这些材料的设计形式将使其难以达到每单位面积的质量和具体的功率目标，因此我们必须基本上完全重新思考光伏战略。因此，我们在太空中测试的那类光伏设备实际上以前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—光伏电池与载体结构结合，但不是用这种类型的材料，也没有折叠到我们所达到的尺寸。通过使用受折纸启发的新型折叠技术，我们能够大大减少发射用巨型航天器的尺寸。包装非常紧密，基本上没有任何空隙。
哈吉米里。这种性质的无线电力传输还没有在太空中展示过。我们也在用我们的柔性、轻质材料进行演示，不一定是刚性结构。这增加了复杂性。
如果以及当空间太阳能成为现实，它可能会对社会产生什么影响？
哈吉米里：它将彻底改变能源的性质和获取方式，使其变得无处不在，成为可调度的能源。你可以把它送到你需要的地方。这种能量的重新定向是在没有任何机械运动的情况下完成的，纯粹是通过使用聚焦阵列的电气手段，这使得它非常快。
阿特沃特：我想可以说，布雷恩夫妇的愿景真的是要做一件事，正如阿里提到的，最初几乎是从科幻小说中出现的，要做一件事，成为世界上的大规模能源。
佩莱格里诺：我们有JPL的合作者加入我们的团队，当我们开始思考这些空间示范时，这种合作对我们来说变得强大而有用。关于能源的讨论隐含地局限于为地球供电，实际上也延伸到了太空探索。我们正在为JPL思考未来任务的方式开启新的篇章。
说到合作，跨研究领域的工作对于SSPP的成功是不可或缺的，在一个长期项目的过程中，如此密集地合作是什么感觉？
哈吉米里：学生们、博士后们，我们所有人都在非常紧密地合作，我们在彼此的领域中都学到了很多东西。这样做的结果是，无论是从项目的最终结果，还是从学生得到的培训来看，都超过了其各部分的总和。这种培训对未来的空间技术是非常重要的，无论是无线电力传输、通信、空间结构，还是我们还没有想到的各种其他应用。
阿特沃特：我以前曾在光伏领域工作过，但在我最疯狂的梦想中从未想过我会参与到太空中，直到这个机会出现。对我来说，它是一个全新的科学世界的窗口。这让我非常兴奋。
佩莱格里诺：有时感觉我们正在推动我们的同事做一些他们明显认为不可能的事情，但后来发现并非不可能。这真是一种奇妙的感觉。这是一种不同的研究，你在自己的领域中尽最大努力，但你也在利用与其他领域的接口，一个真正会造福社会的集体系统。造福社会是一件比在自己的领域做好工作更复杂的事情。它是如此的具有挑战性。