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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
图片来源：Unsplash
撰文 | 小明
编辑 | 小澜
→这是《环球零碳》的第1792篇原创
我们常用“星辰大海”形容人类对于未来的梦想和憧憬，而这也是能源领域正在发生和演绎的故事。
“大海”的故事不用多说，已经持续了几百年，“星辰”的故事则刚刚开始。
一场围绕“太空算力”与“太空能源”的新竞赛最近正在全球升温。
中国、美国、欧洲等主要国家和地区，都在纷纷布局太空数据中心、轨道级巨型光伏电站与空间无线输电项目，试图在下一代AI算力体系中占据优势。
11月27日，北京召开“智绘星空 胜算在天——太空数据中心建设”工作推进会，拟在700-800公里晨昏轨道建设运营超过千兆瓦功率的集中式大型数据中心系统。
美国科技巨头也动作频频：特斯拉创始人马斯克表示，随着星舰的问世，大规模部署太阳能人工智能卫星成为可能。这也是马斯克所认为的，实现“每年1太瓦（1TW）人工智能算力”的重要路径，并定下了“4-5年通过星舰完成每年100GW数据中心部署”的目标。
英伟达则首次将H100GPU送上太空，搭载在初创公司Starcloud的Starcloud-1卫星上。
谷歌启动了“太阳捕手计划”，计划在2027年初发射两颗搭载TPU芯片的原型卫星。
然而，能源正成为悬在算力头顶的达摩克利斯之剑。国际能源署预计，在人工智能的驱动下，到2030年，全球数据中心的电力需求预计将比2024年增加一倍以上。
苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫按照能源利用能力，将文明划分为Ⅰ型（掌控行星能源）、Ⅱ型（收集恒星系统能量）和Ⅲ型（控制银河系能源）三个等级。最新评估显示，人类文明还处于I型，仅0.73级左右。
虽然人类还不能完全掌控地球上的能源，但是收集和利用恒星能源已经提上日程，涉及两个层面：
从太空发电看，目前广泛采用的砷化镓（GaAs）太阳能电池面临高成本难题，亟待寻找更具性价比的方案；
从太空输电看，太空发电通过无线技术传送到地球，突破了地理和气候的限制，将引发能源革命。
01
“天数天算”
算力的背后是能源，“太空发电”正成为“太空算力”竞争的决胜因素。
“太空算力”是指将计算资源部署在太空中，通过卫星进行数据的处理、分析和决策，进而实现“天数天算”，甚至“地数天算”。
相比地面，“太空算力”具有部署灵活、散热高效等优势，能突破占地、带宽等限制，提高数据处理效率的同时，降低通信时延。
太空算力示意图，引自之江实验室
“太空算力”的未来是美好的，但不得不面对能源困局的现实。
由于太空无法接入地面电网，光伏是能源供给的最重要方式。目前，太空能源的主力是砷化镓（GaAs）太阳能电池，以其高转化效率、耐辐射等特性，广泛应用于航天器、空间站等领域。
但砷化镓制备的原料稀缺、工艺复杂，导致价格昂贵，素有“半导体贵族”之称。公开资料显示，“天和”核心舱134平方米的砷化镓太阳翼，成本高达1.67亿元，折合125万元/平米，比硅基电池贵几十倍，显然无法满足“太空算力”大规模部署的要求。
天和核心舱大型柔性太阳能电池翼示意图，引自中国载人航天
晶硅电池是当前地面电站的主流，但在AM0（太空环境）下效率仅为14-18%，远低于砷化镓30%的光电转换效率；抗辐射性能差，太空环境中效率衰减快，并不适合在太空中使用。
钙钛矿电池作为新一代太阳能电池技术的代表，兼具砷化镓电池的高效率、耐辐射特性和晶硅电池的低成本优势，成为太空应用的理想选择。
近年来，我国钙钛矿产业化进程加速，量产线迈入GW级新阶段，光电转换效率屡屡刷新。更重要的是，钙钛矿电池可与晶硅电池结合形成钙钛矿-晶硅叠层电池，理论效率可达43%。
引自中国光伏行业协会
此外，核能在太空能源供给中也占据着重要位置。
今年5月，中国国家航天局与俄罗斯国家航天集团签署了《关于共建月球核电站的合作备忘录》，为两国共建的、将于2036年完工的国际月球科研站提供能源支撑。
三个月后，美国宣布计划在2029年底前将一座100千瓦级核反应堆发送至月球，希望在新一轮太空竞赛中抢占先机。
02
“天电地用”
“太空输电”是指将太空中发的电，通过无线能量传输技术（微波、激光等）传送到地球。
听起来有些科幻，因为这个想法正源于科幻小说。
1941年，美国科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫在短篇小说《Reason》中描述过这一场景：利用空间站的电池板捕捉太阳能后，通过微波光束将其传输到各个行星。
太空输电示意图，引自科普中国
相比地面光伏电站，“太空输电”可以避免太阳能电池“看天吃饭”以及大气层对阳光的削弱作用，大幅提升发电效率。据估算，太空中同样面积的太阳能电池板的发电量是地面的几十倍。
近年来，“太空输电”竞赛持续升温。
美国太阳能初创公司Aetherflux计划在2026年发射首个低地球轨道示范卫星，将太阳能直接收集，并通过激光传输到地球上的“地面站”，实现人类首次从太空向地球传输电力，现已融资6000万美元，并得到美国军方的支持。
英国Space Solar公司计划在3.6万公里高空打造直径1.8公里的“仙后座”空间站，利用数百万颗覆盖太阳能电池板的卫星来收集太阳光，通过约10亿个天线向地球传输能量，获得了英国政府的资助。
欧洲空间局于2023年1月启动了SOLARIS预先研发计划，计划在三年内投入6000万欧元，专注于太阳能电池、能量转换器、空间机器人等核心技术的研发，为未来的在轨验证奠定基础。
中国的空间太阳能电站系统项目叫“逐日工程”，规划分“三小步”（地面/浮空试验、空间电能管理、天地无线能量传输试验）和“两大步”（MW级试验验证、GW级商业电站），目标是到2030年，把兆瓦级的试验电站送到地球同步轨道；到2050年，建成可以商用的吉瓦级电站。
除了能源的“天地传输”，“天天传输”也在探索，可以视为“天电地用”的容易版本。
2025年11月，美国Star Catcher公司用1.1千瓦激光束，将能量精准传输到数百米外的光伏阵列，打破了今年6月美国国防高级研究计划局（DARPA）创下的800瓦的激光束发射功率纪录。
这项技术可以满足轨道侧用电需求：通过聚光系统捕捉太阳能，然后通过高精度的波束将电力直接传输给卫星。通过这种“太空对太空”的能源中继，卫星可以摆脱沉重的电池板，将更多的质量分配给有效载荷。
不管是穿越大气层输电还是“太空对太空”送电，均面临着成本挑战。根据2024年NASA评估报告，太空发电站的发电成本高达0.6亿美元/度，是地面太阳能电站的12~80倍，主要贵在火箭发射。
此外，规模化部署太空发电设施将带来轨道拥挤问题和碎片碰撞风险，无线能量传输技术也面临着前所未有的监管挑战。
03
结语
当商业航天发展与全球能源转型在近地轨道实现历史性交汇，太空能源开发利用的乌托邦式美梦正一步步照进现实，为全球可再生能源发展开创了新赛道。虽然还面临着众多待解难题，但技术进步的速度总是超乎人们的想象。
当能源发展走向“星辰大海”，人类逐渐掌握了卡尔达舍夫I型文明大门的钥匙，正向Ⅱ型文明的“殿堂”迈进。
参考资料
[1]中信证券.太空算力走向现实，钙钛矿料将迎来新机会.2025-12-02.
[2]新浪财经.隔空“来电”！太空光伏革命开启.2025-11-18.
[3]环球零碳. 关税闹剧下，中国光伏突围之路在哪里？2025-04-14.
[4]科普中国.太空太阳能发电技术的星辰征途.2025-06-03.
[5]上观新闻. 怕“太空竞赛2.0”输给中俄？美国要在5年内向月球发送核反应堆.2025-10-15.
[6] 凤凰网. 轨道能源互联网的黎明：太空太阳能从科幻宏大叙事转向商业实用.2025-12-01.
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