在人類探索宇宙的征程中，衛(wèi)星作為重要的“太空使者”，發(fā)揮著越來越關鍵的作用。然而，近年來衛(wèi)星數(shù)量呈爆發(fā)式增長，能源供應問題卻逐漸成為制約其發(fā)展的“卡脖子”難題。傳統(tǒng)太陽能電池板又重又占空間，發(fā)射時還得小心翼翼呵護，生怕?lián)p壞，這給衛(wèi)星的發(fā)射和運行帶來了諸多不便。
回顧衛(wèi)星能源的發(fā)展歷程，早期的衛(wèi)星根本沒考慮過太陽能。1958年，美國發(fā)射的“先鋒1號”衛(wèi)星，依靠化學電池供電，僅僅21天就耗盡電量，徹底“罷工”。直到1959年，“探險者6號”首次將太陽能電池板裝上衛(wèi)星，才讓衛(wèi)星實現(xiàn)了長時間工作。但這一改變也帶來了新的麻煩。
傳統(tǒng)太陽能電池板為了適應發(fā)射和太空展開的需求，設計得如同拼圖一般。發(fā)射時，它需要折疊起來塞進火箭整流罩，到達太空后再展開。這一折一展之間，需要添加大量的鉸鏈、電機和鎖定裝置。這些額外的結構不僅增加了衛(wèi)星的重量，還非常容易損壞。火箭發(fā)射時會產(chǎn)生劇烈震動，加速度可達幾百個G，同時還會產(chǎn)生高達140分貝的噪音，許多精密零件就在這樣的惡劣環(huán)境中被損壞。
重量問題更是讓衛(wèi)星設計師們頭疼不已。一塊太陽能板加上支撐架子，重量能占到衛(wèi)星總重量的三分之一以上。火箭的運載能力是有限的，電池板占據(jù)了大量重量，真正用于執(zhí)行任務的儀器設備就得相應縮水。業(yè)內(nèi)人士透露，目前每千瓦功率的太陽能系統(tǒng)，成本高達數(shù)百萬美元，其中大部分費用都花在了如何安全將其送入太空上。盡管全球航天電源市場持續(xù)增長，但發(fā)射成本和重量限制始終像兩座大山，難以逾越。
在這樣的背景下，德國航天公司Dcubed研發(fā)的ARAQYS系統(tǒng)應運而生，為衛(wèi)星能源問題帶來了新的解決方案。該系統(tǒng)的核心是一張“太陽能毯”，這是一種微米級的超薄柔性薄膜，薄到可以像卷衛(wèi)生紙一樣輕松卷起來塞進衛(wèi)星內(nèi)部。它無需剛性支撐，僅靠這層薄膜就能發(fā)電，大大減輕了衛(wèi)星的重量。
有人可能會擔心這層薄膜的耐用性，其實Dcubed的工程師們有著巧妙的設計。他們使用了一種光敏樹脂，在太空中，原本令人避之不及的紫外線輻射，在這里卻成了免費的“固化劑”。衛(wèi)星進入軌道后，將卷好的“太陽能毯”拉出，樹脂在紫外線照射下逐漸變硬，自行形成支撐結構。整個過程無需折疊，也沒有復雜的展開機構，真正實現(xiàn)了航天領域的“極簡主義”。
ARAQYS系統(tǒng)的制造流程也十分簡單。先將“太陽能毯”從儲存筒中展開，然后3D打印頭沿著毯子邊緣擠出光敏樹脂，在太空紫外線的照射下，幾個小時后樹脂就會硬化。與傳統(tǒng)電池板需要幾十上百個零件相比，ARAQYS系統(tǒng)只有幾個核心組件。Dcubed公司估算，采用該系統(tǒng)后，單位功率成本能降低多個數(shù)量級，業(yè)內(nèi)猜測至少能降低十倍以上。
近年來，商業(yè)航天發(fā)展勢頭迅猛。SpaceX的Starlink已經(jīng)發(fā)射了6000多顆衛(wèi)星，亞馬遜以及中國的“G60星鏈”也計劃向太空發(fā)射數(shù)萬顆衛(wèi)星。隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，耗電量也急劇上升，傳統(tǒng)電池板已經(jīng)難以滿足那些計算設備和載荷的用電需求。而ARAQYS系統(tǒng)若能投入使用，在同等發(fā)射重量下，衛(wèi)星的發(fā)電功率可能是現(xiàn)在的5倍，任務壽命也能顯著延長，因為減少了許多易壞的機械結構。
有工程師大膽暢想，未來衛(wèi)星之間或許能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳電，太空拖船依靠這種供電方式在軌道上自由運行，甚至還能建立太空數(shù)據(jù)中心。不過，ARAQYS系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)。“太陽能毯”在太空長時間工作后，材料是否會老化？3D打印的精度能否保持穩(wěn)定？自動化程度能否達到完全無需人工干預？這些都是Dcubed公司需要解決的問題。
目前，Dcubed公司已經(jīng)制定了詳細的計劃。他們計劃在2024年先發(fā)射演示衛(wèi)星，2026年打造1米長的結構，2027年嘗試2千瓦的裝置。如果2027年的試驗成功，太空制造或許將從實驗室走向?qū)嶋H應用，衛(wèi)星能源的設計邏輯也將徹底改變，從“地球造好扛上天”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧咸煸僭祀S便用”。這一變革不僅能讓衛(wèi)星變得更強大，還可能為太空太陽能電站的建設和深空探索提供有力支持，讓人類在太空的探索更加自由和深入。
