全球搶奪太空能源：鈣鈦礦、核電站、激光輸電全面開戰

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環球零碳

碳中和領域的《新青年》

圖片來源：Unsplash

撰文 | 小明

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的第1792篇原創

我們常用“星辰大?！毙稳萑祟悓τ谖磥淼膲粝牒豌裤?，而這也是能源領域正在發生和演繹的故事。

“大?！钡墓适虏挥枚嗾f，已經持續了幾百年，“星辰”的故事則剛剛開始。

一場圍繞“太空算力”與“太空能源”的新競賽最近正在全球升溫。

中國、美國、歐洲等主要國家和地區，都在紛紛布局太空數據中心、軌道級巨型光伏電站與空間無線輸電項目，試圖在下一代AI算力體系中占據優勢。

11月27日，北京召開“智繪星空 勝算在天——太空數據中心建設”工作推進會，擬在700-800公里晨昏軌道建設運營超過千兆瓦功率的集中式大型數據中心系統。

美國科技巨頭也動作頻頻：特斯拉創始人馬斯克表示，隨著星艦的問世，大規模部署太陽能人工智能衛星成為可能。這也是馬斯克所認為的，實現“每年1太瓦（1TW）人工智能算力”的重要路徑，并定下了“4-5年通過星艦完成每年100GW數據中心部署”的目標。

英偉達則首次將H100GPU送上太空，搭載在初創公司Starcloud的Starcloud-1衛星上。

谷歌啟動了“太陽捕手計劃”，計劃在2027年初發射兩顆搭載TPU芯片的原型衛星。

然而，能源正成為懸在算力頭頂的達摩克利斯之劍。國際能源署預計，在人工智能的驅動下，到2030年，全球數據中心的電力需求預計將比2024年增加一倍以上。

蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達舍夫按照能源利用能力，將文明劃分為Ⅰ型（掌控行星能源）、Ⅱ型（收集恒星系統能量）和Ⅲ型（控制銀河系能源）三個等級。最新評估顯示，人類文明還處于I型，僅0.73級左右。

雖然人類還不能完全掌控地球上的能源，但是收集和利用恒星能源已經提上日程，涉及兩個層面：

從太空發電看，目前廣泛采用的砷化鎵（GaAs）太陽能電池面臨高成本難題，亟待尋找更具性價比的方案；

從太空輸電看，太空發電通過無線技術傳送到地球，突破了地理和氣候的限制，將引發能源革命。

01

“天數天算”

算力的背后是能源，“太空發電”正成為“太空算力”競爭的決勝因素。

“太空算力”是指將計算資源部署在太空中，通過衛星進行數據的處理、分析和決策，進而實現“天數天算”，甚至“地數天算”。

相比地面，“太空算力”具有部署靈活、散熱高效等優勢，能突破占地、帶寬等限制，提高數據處理效率的同時，降低通信時延。

太空算力示意圖，引自之江實驗室

“太空算力”的未來是美好的，但不得不面對能源困局的現實。

由于太空無法接入地面電網，光伏是能源供給的最重要方式。目前，太空能源的主力是砷化鎵（GaAs）太陽能電池，以其高轉化效率、耐輻射等特性，廣泛應用于航天器、空間站等領域。

但砷化鎵制備的原料稀缺、工藝復雜，導致價格昂貴，素有“半導體貴族”之稱。公開資料顯示，“天和”核心艙134平方米的砷化鎵太陽翼，成本高達1.67億元，折合125萬元/平米，比硅基電池貴幾十倍，顯然無法滿足“太空算力”大規模部署的要求。

天和核心艙大型柔性太陽能電池翼示意圖，引自中國載人航天

晶硅電池是當前地面電站的主流，但在AM0（太空環境）下效率僅為14-18%，遠低于砷化鎵30%的光電轉換效率；抗輻射性能差，太空環境中效率衰減快，并不適合在太空中使用。

鈣鈦礦電池作為新一代太陽能電池技術的代表，兼具砷化鎵電池的高效率、耐輻射特性和晶硅電池的低成本優勢，成為太空應用的理想選擇。

近年來，我國鈣鈦礦產業化進程加速，量產線邁入GW級新階段，光電轉換效率屢屢刷新。更重要的是，鈣鈦礦電池可與晶硅電池結合形成鈣鈦礦-晶硅疊層電池，理論效率可達43%。

引自中國光伏行業協會

此外，核能在太空能源供給中也占據著重要位置。

今年5月，中國國家航天局與俄羅斯國家航天集團簽署了《關于共建月球核電站的合作備忘錄》，為兩國共建的、將于2036年完工的國際月球科研站提供能源支撐。

三個月后，美國宣布計劃在2029年底前將一座100千瓦級核反應堆發送至月球，希望在新一輪太空競賽中搶占先機。

02

“天電地用”

“太空輸電”是指將太空中發的電，通過無線能量傳輸技術（微波、激光等）傳送到地球。

聽起來有些科幻，因為這個想法正源于科幻小說。

1941年，美國科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫在短篇小說《Reason》中描述過這一場景：利用空間站的電池板捕捉太陽能后，通過微波光束將其傳輸到各個行星。

太空輸電示意圖，引自科普中國

相比地面光伏電站，“太空輸電”可以避免太陽能電池“看天吃飯”以及大氣層對陽光的削弱作用，大幅提升發電效率。據估算，太空中同樣面積的太陽能電池板的發電量是地面的幾十倍。

近年來，“太空輸電”競賽持續升溫。

美國太陽能初創公司Aetherflux計劃在2026年發射首個低地球軌道示范衛星，將太陽能直接收集，并通過激光傳輸到地球上的“地面站”，實現人類首次從太空向地球傳輸電力，現已融資6000萬美元，并得到美國軍方的支持。

英國Space Solar公司計劃在3.6萬公里高空打造直徑1.8公里的“仙后座”空間站，利用數百萬顆覆蓋太陽能電池板的衛星來收集太陽光，通過約10億個天線向地球傳輸能量，獲得了英國政府的資助。

歐洲空間局于2023年1月啟動了SOLARIS預先研發計劃，計劃在三年內投入6000萬歐元，專注于太陽能電池、能量轉換器、空間機器人等核心技術的研發，為未來的在軌驗證奠定基礎。

中國的空間太陽能電站系統項目叫“逐日工程”，規劃分“三小步”（地面/浮空試驗、空間電能管理、天地無線能量傳輸試驗）和“兩大步”（MW級試驗驗證、GW級商業電站），目標是到2030年，把兆瓦級的試驗電站送到地球同步軌道；到2050年，建成可以商用的吉瓦級電站。

除了能源的“天地傳輸”，“天天傳輸”也在探索，可以視為“天電地用”的容易版本。

2025年11月，美國Star Catcher公司用1.1千瓦激光束，將能量精準傳輸到數百米外的光伏陣列，打破了今年6月美國國防高級研究計劃局（DARPA）創下的800瓦的激光束發射功率紀錄。

這項技術可以滿足軌道側用電需求：通過聚光系統捕捉太陽能，然后通過高精度的波束將電力直接傳輸給衛星。通過這種“太空對太空”的能源中繼，衛星可以擺脫沉重的電池板，將更多的質量分配給有效載荷。

不管是穿越大氣層輸電還是“太空對太空”送電，均面臨著成本挑戰。根據2024年NASA評估報告，太空發電站的發電成本高達0.6億美元/度，是地面太陽能電站的12~80倍，主要貴在火箭發射。

此外，規?；渴鹛瞻l電設施將帶來軌道擁擠問題和碎片碰撞風險，無線能量傳輸技術也面臨著前所未有的監管挑戰。

03

結語

當商業航天發展與全球能源轉型在近地軌道實現歷史性交匯，太空能源開發利用的烏托邦式美夢正一步步照進現實，為全球可再生能源發展開創了新賽道。雖然還面臨著眾多待解難題，但技術進步的速度總是超乎人們的想象。

當能源發展走向“星辰大?！?，人類逐漸掌握了卡爾達舍夫I型文明大門的鑰匙，正向Ⅱ型文明的“殿堂”邁進。

參考資料

[1]中信證券.太空算力走向現實，鈣鈦礦料將迎來新機會.2025-12-02.

[2]新浪財經.隔空“來電”！太空光伏革命開啟.2025-11-18.

[3]環球零碳. 關稅鬧劇下，中國光伏突圍之路在哪里？2025-04-14.

[4]科普中國.太空太陽能發電技術的星辰征途.2025-06-03.

[5]上觀新聞. 怕“太空競賽2.0”輸給中俄？美國要在5年內向月球發送核反應堆.2025-10-15.

[6] 鳳凰網. 軌道能源互聯網的黎明：太空太陽能從科幻宏大敘事轉向商業實用.2025-12-01.

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