太空太阳能项目以成功和教训结束首次太空任务

一年前，加州理工学院的太空太阳能演示器(SSPD一号)发射到太空，以演示和测试三项技术创新，这些创新是实现太空太阳能的必要条件之一。

星载试验台展示了在太空中无线传输能量的能力;它测量了太空中各种不同类型太阳能电池的效率、耐用性和功能;并给出了一个轻型可展开结构设计的真实世界试验，以运送和保持上述太阳能电池和电力发射器。

现在，随着SSPD 1号太空任务的结束，地球上的工程师们正在庆祝试验台的成功，并学习将有助于规划太空太阳能未来的重要经验。

“从太空以商业价格发射太阳能，照亮全球，仍然是一个未来的前景。加州理工学院校长托马斯·罗森鲍姆说:“但这项重要的任务表明，这应该是一个可以实现的未来。”

SSPD一号代表着一个已经进行了十多年的项目中的一个重要里程碑，作为多国追求的技术向前迈出的切实而高调的一步，受到了国际社会的关注。它于2023年1月3日发射升空，作为加州理工学院太空太阳能项目(SSPP)的一部分，由哈里·阿特沃特、阿里·哈吉米里和塞尔吉奥·佩莱格里诺教授领导。它由三个主要实验组成，每个实验测试一种不同的技术:

DOLCE(可部署在轨超轻复合材料实验):一个尺寸为1.8米乘1.8米的结构，展示了可扩展模块化航天器的新颖架构、包装方案和部署机制，该航天器最终将构成一个千米级星座，用作发电站。

ALBA:收集了32种不同类型的光伏电池，以评估能够承受恶劣太空环境的电池类型。

MAPLE(低轨道功率传输实验微波阵列):一组灵活、轻便的微波功率发射器，基于定制的集成电路，具有精确的时序控制，可选择性地将功率集中在两个不同的接收器上，以演示空间远距离的无线功率传输。

“并不是说我们在太空中没有太阳能电池板。例如，太阳能电池板被用于为国际空间站提供动力，”奥的斯工程与应用科学部布斯领导层主席阿特沃特说;霍华德·休斯应用物理和材料科学教授;液态阳光联盟主任;也是SSPP的主要调查员之一。“但是为了发射和部署足够大的阵列来为地球提供有意义的电力，SSPP必须设计和制造超轻、廉价、灵活和可部署的太阳能能量传输系统。”

部署结构

尽管SSPD 1号上的所有实验最终都取得了成功，但并非一切都按计划进行。然而，对于领导这项工作的科学家和工程师来说，这正是关键所在。SSPD 1号的真实测试环境为评估每个组件提供了机会，收集的见解将对未来的空间太阳能电池阵列设计产生深远影响。

例如，在DOLCE的部署过程中(这是一个三到四天的过程)，将对角吊杆连接到结构角落的一根电线被钩住了，这使得它可以展开。这阻碍了部署，并损坏了其中一个吊杆和结构之间的连接。

随着时间的推移，该团队使用DOLCE上的摄像机以及佩莱格里诺实验室中的DOLCE全尺寸工作模型来确定并尝试解决这个问题。他们确定，当直接由太阳和地球反射的太阳能加热时，受损的系统将部署得更好。

一旦斜杆展开，结构完全展开，新的复杂情况出现了:结构的一部分在展开机制下卡住了，这在实验室测试中从未出现过。使用来自DOLCE相机的图像，该团队能够在实验室中重现这种干扰，并开发了一种修复策略。最终，佩莱格里诺和他的团队通过DOLCE致动器的运动完成了部署，该运动振动了整个结构并消除了堵塞。佩莱格里诺说，经验教训将为下一个部署机制提供信息。

“太空试验证明了基本概念的稳健性，这使我们能够在出现两个异常的情况下成功部署，”SSPP航空航天和土木工程教授兼联合主任佩莱格里诺说。“故障排除过程给了我们许多新的见解，并使我们非常关注模块化结构和对角吊杆之间的联系。我们开发了新的方法来对抗超轻可展开结构的自重影响。”

阿尔巴:收集太阳能

与此同时，由阿特沃特领导的ALBA团队在240多天的运行过程中测量了三种全新的超轻研究级太阳能电池的光伏性能，这些电池此前从未在轨道上测试过。一些太阳能电池是使用SSPP实验室和加州理工学院卡维利纳米科学研究所(KNI)的设施定制制造的，这为该团队提供了一种可靠而快速的方法来快速为飞行做好准备。在未来的工作中，该团队计划测试使用高度可扩展的廉价制造方法制造的大面积电池，这些方法可以大大降低这些太空太阳能电池的质量和成本。

目前商用的太空太阳能电池通常比地球上广泛使用的太阳能电池和模块贵100倍。这是因为它们的制造采用了一种称为外延生长的昂贵步骤，其中晶体膜在衬底上以特定的取向生长。SSPP太阳能电池团队通过使用廉价且可扩展的生产工艺(如用于制造今天的硅太阳能电池的工艺)实现了低成本的非同轴太空电池。这些工艺采用高性能化合物半导体材料，如砷化镓，这些材料通常用于制造当今的高效太空电池。

该团队还测试了钙钛矿电池和发光太阳能聚光器，钙钛矿电池因其便宜且灵活而引起了太阳能制造商的注意，发光太阳能聚光器有可能部署在大型柔性聚合物片中。

在阿尔巴的一生中，研究小组收集了足够的数据，能够观察到单个细胞在应对太阳耀斑和地磁活动等空间天气事件时的运行变化。例如，他们发现钙钛矿电池的性能存在巨大差异，而低成本的砷化镓电池总体表现良好。

“SSPP给了我们一个独特的机会，将太阳能电池直接从加州理工学院的实验室带到轨道上，加快了通常需要数年才能完成的太空测试。阿特沃特说:“这种方法大大缩短了太空太阳能技术的创新周期。”

MAPLE:太空无线电力传输

最后，正如6月份宣布的那样，MAPLE展示了其在太空中无线传输电力并将光束射向地球的能力——这在该领域尚属首次。MAPLE实验在最初的演示后持续了八个月，在随后的工作中，团队将MAPLE推向了极限，以暴露和了解其潜在的弱点，以便将学到的经验应用于未来的设计。

研究小组将阵列在任务早期的性能与其在任务结束时的性能进行了比较，当时MAPLE受到了有意的压力。观察到总发射功率下降。回到地球上的实验室，该小组重现了功率下降的情况，将其归因于阵列中几个单独的发射元件的退化以及系统中一些复杂的电热相互作用。

“这些观察已经导致对MAPLE各种元素的设计进行了修改，以在更长的时间内最大限度地提高其性能，”SSPP大学电气工程和医学工程的布伦教授兼联合主任Hajimiri说。“用SSPD一号在太空中进行测试让我们更清楚地看到了我们的盲点，并对我们的能力更有信心。”

SSPP:继续前进

SSPP始于慈善家唐纳德·布伦，欧文公司的主席和加州理工学院社区的终身成员，年轻时在一篇文章中首次了解到天基太阳能制造的潜力大众科学杂志。出于对太空太阳能潜力的好奇，布伦于2011年找到加州理工学院时任校长让-卢·查莫(Jean-Lou Chameau)，讨论创建一个太空太阳能研究项目。在接下来的几年里，布伦和他的妻子布里吉特·布伦(加州理工学院的受托人)同意通过唐纳德·布伦基金会进行一系列捐赠(承诺总额超过1亿美元)，为该项目提供资金，并为加州理工学院的一些教授职位提供资助。

唐纳德·布伦说:“加州理工学院杰出科学家的辛勤工作和奉献推动了我们的梦想，那就是为世界提供丰富、可靠、廉价的电力，造福全人类。”。

除了从布伦斯获得的支持外，诺斯罗普·格鲁曼公司在2014年至2017年期间通过一项赞助研究协议向加州理工学院提供了1250万美元，以帮助技术开发和推进该项目的科学。

随着SSPD 1号任务的结束，试验台于11月11日停止了与地球的通信。搭载SSPD 1号的Vigoride-5飞行器将留在轨道上，以支持继续测试和演示该飞行器使用蒸馏水作为推进剂的微波电热推进器发动机。它最终将脱离轨道并在地球大气层中解体。

与此同时，SSPP团队继续在实验室工作，研究来自SSPD一号的反馈，以确定该项目要解决的下一组基本研究挑战。

来源: Materials provided by California Institute of Technology. Original written by Robert Perkins.
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