“太空光伏发电（SPS）”是指利用分布在太空的光伏电池板来发电，并通过微波向地面传输电力的技术。20世纪80年代，日本京都大学的松本纮（现为理化学研究所理事长）开始在日本进行相关研究。他的学生筱原真毅教授继承了老师的研究热情，日本政府也以2050年投入实用为目标开始行动。在中国紧追猛赶的背景下，日本能否在这项新一代能源领域取得成果呢?
太空光伏发电示意图
用微波炉为电视机供电的罕见实验受到了关注。在京都大学教授筱原真毅的研究室里，为防止电磁波泄露，实验室被尖刺状的屏蔽结构覆盖。当由微波炉改进而成的设备把微波传输房间中央没有插电源的电视机时，屏幕上显示出了影像。电磁波一般通过振动来承载并传递信息，但通过提高输出功率，可以传输电力本身。
无线输电已有100多年的研究历史
关于无线输电，美国物理学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，美国特斯拉公司名称来源于此）在19世纪末就进行过输电试验，旧日本军队也曾实施过将磁控管转用于军事用途的试验，荷兰飞利浦公司申请了用微波炉为手机快速充电的专利，各种研究已持续了100多年。
用电磁波传输电力的技术被认为很难达到实用水平，一直停留在基础研究阶段，但目前终于进入实用化阶段。为了让企业等能够在业务中运用无线供电技术，日本总务省将为其分配电磁频谱。松下和欧姆龙等企业正在开发无电池物联网终端，目标是实现商用化。
在美国，初创企业在这一领域处于领先。其中Ossia公司自主开发出了让波束进行反射来避开障碍物的“COTA”技术，并展示了可以通过手机壳为iPhone充电的技术。Powercast公司在亚马逊上销售的“Wireless Charging Grip”（无线充电手柄），可以无线为任天堂游戏机“Switch”的手柄充电，售价约150美元。
通过波束从太空输送电力
通过电磁波传送电力的可能性并不仅限于数字产品。提高微波的输出功率，以波束的形式进行照射，将其当做输电线一样使用，这样的终极清洁能源计划正在推进之中。那就是太空光伏发电项目，太空的人造卫星发射波束，3.6万公里以外的地球天线来接收。
这项技术曾作为新型发电站在《模拟城市》（SimCity）游戏里出现，是代表着未来的技术。它与像太阳一样的核聚变发电一起，虽然创意十分出色，但实用化的时间难以预料，属于梦想中的能源。但近年来掀起了零碳潮流，日本政府制定的宇宙基本计划中列入了太空光伏发电的讨论内容等，再次显示出向实用化迈进的迹象。
在地球上进行光伏发电时，由于夜间和阴天情况下无法发电，据说光伏电池板的平均光电转换效率为15％。而在没有夜晚的太空可以24小时发电。从理论上来说，用波束代替输电线传输电力的话，可以在地球上接收能量，或者向月球背面或其他星球输送电力。
太空光伏发电是名符其实的梦想中的发电项目。1983年，在日本京都大学松本纮教授的带领下，使用火箭在太空输送微波的“MINIX试验”在全球首次获得成功。松本纮表示“刚开始是在研究（其他的）宇宙等离子，但我想人类总是要到宇宙去的”。在太空传输电力也是人类将生活圈扩大到地球以外不可或缺的技术。
京都大学的研究代代相传
筱原教授在1990年还是京都大学的4年级学生，当时被松本纮教授的宏伟计划打动，决定拜他为师。后来，松本纮于2008年就任京都大学校长等，在学术界的地位不断提升，2010年成为教授的筱原作为继承人，继续开发梦想中的技术。
以日本经济产业省和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）为中心，在宇宙系统开发利用推进机构及民营企业中，三菱电机、三菱重工及IHI等一直在提供设备等推进太空光伏发电的试验计划。虽然当初曾说过到2030年达到实用化，但现在要推迟到2050年左右。
实用化的课题是成本
瓶颈是成本。筱原教授估算：“如果考虑可商业化的电力单价，需要100万千瓦的发电容量，光伏电池板的长度要达到2公里左右”。如果卫星重量在1万吨以上，那么就是普通宇宙空间站的100倍。卫星需要用火箭运到静止轨道上，这么巨大的设备需要运输很多次然后进行组装。
即便采用日本国产的H2A火箭，发射一次也要100亿日元，运输成本昂贵。建设100万千瓦级的总成本估计要达到1万亿日元以上。但松本表示“发射火箭费用降低，再加上2050年零碳排放的目标，估计开发速度会加快”。实际上，日本H3火箭以后的焦点是降低成本，美国也在加快推进由NASA向民间委托开发火箭的项目，以美国SpaceX公司为首的新兴企业正在打破火箭的高昂价格。
另外，也有人担心安全问题。大功率的微波需要通过地面上的天线接收，但人员需要远离设备周围，研究人员正在考虑设置在海上等方案。也有人推测微波泄漏时会引发火灾，但筱原教授强调“微波从天线泄漏时会分散开，不会成为杀人光线”。
像核电一样受到关注
虽然开发迟迟没有进展，但在净零排放和禁用核电之间进退两难的境地下，太空光伏发电跟核电一样，将迅速在全球受到关注。据悉，加速太空开发的中国计划以重庆大学等为中心，举全国之力一举进入人造卫星试验阶段，还有人将领先的日本太空光伏发电教材等翻成中文。
筱原教授指出，“在日本推进开发的过程中，中国也有可能慢慢追上来”。不仅有巨额研发费用支持下的中美，还有民间资本进入宇宙开发领域，本该日本领先的梦想技术要想实现，需要进一步的筹资机制及加快开发速度。
日本经济新闻（中文版：日经中文网）企业报道部 渡边直树
版权声明：日本经济新闻社版权所有，未经授权不得转载或部分复制，违者必究。
日经中文网 https://cn.nikkei.com
原文始发于微信公众号（日经中文网）：日本零碳终极武器——太空光伏发电