「太空光伏發電（SPS）」是指利用分佈在太空的光伏電池板來發電，並通過微波向地面傳輸電力的技術。20世紀80年代，日本京都大學的松本纮（現為理化學研究所理事長）開始在日本進行相關研究。他的學生筱原真毅教授繼承了老師的研究熱情，日本政府也以2050年投入實用為目標開始行動。在中國緊追猛趕的背景下，日本能否在這項新一代能源領域取得成果呢?

   

太空光伏發電示意圖

   

      用微波爐為電視機供電的罕見實驗受到了關注。在京都大學教授筱原真毅的研究室裏，為防止電磁波洩露，實驗室被尖刺狀的遮罩結構覆蓋。當由微波爐改進而成的設備把微波傳輸房間中央沒有插電源的電視機時，螢幕上顯示出了影像。電磁波一般通過振動來承載並傳遞資訊，但通過提高輸出功率，可以傳輸電力本身。

 

      無線輸電已有100多年的研究歷史

 

      關於無線輸電，美國物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，美國特斯拉公司名稱來源於此）在19世紀末就進行過輸電試驗，舊日本軍隊也曾實施過將磁控管轉用於軍事用途的試驗，荷蘭飛利浦公司申請了用微波爐為手機快速充電的專利，各種研究已持續了100多年。

 

      用電磁波傳輸電力的技術被認為很難達到實用水準，一直停留在基礎研究階段，但目前終於進入實用化階段。為了讓企業等能夠在業務中運用無線供電技術，日本總務省將為其分配電磁頻譜。松下和歐姆龍等企業正在開發無電池物聯網終端，目標是實現商用化。

 

      在美國，初創企業在這一領域處於領先。其中Ossia公司自主開發出了讓波束進行反射來避開障礙物的「COTA」技術，並展示了可以通過手機殼為iPhone充電的技術。Powercast公司在亞馬遜上銷售的「Wireless Charging Grip」（無線充電手把），可以無線為任天堂遊戲機「Switch」的手把充電，售價約150美元。

 

      通過波束從太空輸送電力

 

      通過電磁波傳送電力的可能性並不僅限於數位産品。提高微波的輸出功率，以波束的形式進行照射，將其當做輸電線一樣使用，這樣的終極清潔能源計劃正在推進之中。那就是太空光伏發電項目，太空的人造衛星發射波束，3.6萬公里以外的地球天線來接收。

 

      這項技術曾作為新型發電站在《模擬城市》（SimCity）遊戲裏出現，是代表著未來的技術。它與像太陽一樣的核融合發電一起，雖然創意十分出色，但實用化的時間難以預料，屬於夢想中的能源。但近年來掀起了零碳潮流，日本政府制定的宇宙基本計劃中列入了太空光伏發電的討論內容等，再次顯示出向實用化邁進的跡象。

   

   

      在地球上進行光伏發電時，由於夜間和陰天情況下無法發電，據説光伏電池板的平均光電轉換效率為15％。而在沒有夜晚的太空可以24小時發電。從理論上來説，用波束代替輸電線傳輸電力的話，可以在地球上接收能量，或者向月球背面或其他星球輸送電力。

     

      太空光伏發電是名符其實的夢想中的發電項目。1983年，在日本京都大學松本纮教授的帶領下，使用火箭在太空輸送微波的「MINIX試驗」在全球首次獲得成功。松本纮表示「剛開始是在研究（其他的）宇宙電漿，但我想人類總是要到宇宙去的」。在太空傳輸電力也是人類將生活圈擴大到地球以外不可或缺的技術。

 

      京都大學的研究代代相傳

 

      筱原教授在1990年還是京都大學的4年級學生，當時被松本纮教授的宏偉計劃打動，決定拜他為師。後來，松本纮於2008年就任京都大學校長等，在學術界的地位不斷提升，2010年成為教授的筱原作為繼承人，繼續開發夢想中的技術。

 

      以日本經濟産業省和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）為中心，在宇宙系統開發利用推進機構及民營企業中，三菱電機、三菱重工及IHI等一直在提供設備等推進太空光伏發電的試驗計劃。雖然當初曾説過到2030年達到實用化，但現在要推遲到2050年左右。

 

      實用化的課題是成本

 

      瓶頸是成本。筱原教授估算：「如果考慮可商業化的電力單價，需要100萬千瓦的發電容量，光伏電池板的長度要達到2公里左右」。如果衛星重量在1萬噸以上，那麼就是普通宇宙太空站的100倍。衛星需要用火箭運到靜止軌道上，這麼巨大的設備需要運輸很多次然後進行組裝。

   

    

      即便採用日本國産的H2A火箭，發射一次也要100億日元，運輸成本昂貴。建設100萬千瓦級的總成本估計要達到1萬億日元以上。但松本表示「發射火箭費用降低，再加上2050年零碳排放的目標，估計開發速度會加快」。實際上，日本H3火箭以後的焦點是降低成本，美國也在加快推進由NASA向民間委託開發火箭的項目，以美國SpaceX公司為首的新興企業正在打破火箭的高昂價格。

 

      另外，也有人擔心安全問題。大功率的微波需要通過地面上的天線接收，但人員需要遠離設備周圍，研究人員正在考慮設置在海上等方案。也有人推測微波洩漏時會引發火災，但筱原教授強調「微波從天線洩漏時會分散開，不會成為殺人光線」。

 

      像核電一樣受到關注

 

      雖然開發遲遲沒有進展，但在凈零排放和禁用核電之間進退兩難的境地下，太空光伏發電跟核電一樣，將迅速在全球受到關注。據悉，加速太空開發的中國計劃以重慶大學等為中心，舉全國之力一舉進入人造衛星試驗階段，還有人將領先的日本太空光伏發電教材等翻成中文。

 

      筱原教授指出，「在日本推進開發的過程中，中國也有可能慢慢追上來」。不僅有鉅額研發費用支援下的中美，還有民間資本進入宇宙開發領域，本該日本領先的夢想技術要想實現，需要進一步的籌資機制及加快開發速度。

 

      日本經濟新聞（中文版：日經中文網）企業報道部 渡邊直樹

 

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