瞭望 | 前探太空能源革命

太空能源已跃升为大国太空战略布局的瞭望核心支柱，更是前探争夺未来人工智能算力主导权的关键基础设施。全球主要国家正加速出台专项战略，太空通过加大研发投入与推动技术突破，革命抢占这一新兴领域的瞭望制高点。

作为新兴赛道，前探太空能源与算力的太空协同布局在技术、经济及系统工程层面仍面临多重挑战。革命高性能抗辐射芯片、瞭望超大型高效散热系统以及可靠的前探星间网络，被公认为制约发展的太空三大核心瓶颈。

文 | 柴麒敏

凭借全时段太阳能辐射、革命广阔部署空间及不受地球资源环境限制的瞭望独特优势，太空正成为全球零碳能源开发的前探全新赛道。太空能源的太空战略内涵正经历从“星际石油”的科学构想到“天算赋能”的现实技术转型。

传统认知中，太空能源主要指太阳能、月球氦-3等资源，旨在为卫星、空间站及深空探测供能，并期望未来反哺地球。然而，随着新能源技术突破与人工智能（AI）算力需求的指数级增长，太空能源的内涵已拓展至新应用场景，成为支撑全球算力竞赛的重要基础设施。这使得太空能源开发超越了传统的能量收集与传输，与海量信息处理、数据价值创造深度融合，催生出“太空算力”这一新兴领域。

从理论设想迈向技术验证

近年来，航天、光伏、通信及无线输电技术的突破，推动太空能源开发从理论设想进入技术验证与商业化初步探索阶段。

传统模式遵循“太空采集—能量传输—地面利用”路径，即通过太空太阳能电站采集太阳能，转化为电能后以微波或激光形式传输至地面。该模式存在传输效率低、成本高昂、技术难度大等痛点，长期局限于理论研究和小规模试验。

近年来的重大革新在于以“信息传输”替代“能量传输”：短期内不再追求将能量直接传输至地面，而是在太空完成能量转化与数据处理，将高价值信息（而非能量）通过高效通信手段回传地面，实现“太空发电—星上处理—信息传输—地面应用”。

这一模式将太空能源定位从“能量供给”转向“信息与能源协同供给”。相比能量传输，信息传输效率更高、损耗更低，且无需建设复杂的地面接收系统，显著降低了开发成本与技术门槛。

此外，人工智能的快速发展为太空能算协同提供了增效场景。AI算力运行依赖高质量能源供给，而太空太阳能年等效发电时长可达8000小时，约为地面光伏的5~8倍，可为大规模算力部署提供坚实支撑。同时，太空约-270℃的天然环境可作为终极热沉，有望将数据中心能源使用效率（PUE）降至1.0的理论极限。相较于地面数据中心1.4的平均PUE，此举可节省90%以上的冷却能耗。尽管真空环境下传统热传导和对流失效，但通过高效导热通路、高温辐射散热器设计，结合先进光学涂层、仿生智能结构及相变材料等综合热管理系统，有望攻克散热技术难题。

柔性薄膜、钙钛矿等光伏新技术解决了传统电池板笨重、折叠复杂、抗辐射弱等瓶颈。可重复使用火箭技术降低了发射成本，使太空电站和算力中心建设更具经济可行性。激光通信技术的成熟则为“太空能算协同”模式提供了关键通路。

传统卫星主要承担数据采集功能，需将海量原始数据回传地面处理。随着在轨卫星总数激增，该模式面临两大瓶颈：一是低轨卫星星座产生的遥感数据量巨大，数据传输成为效率瓶颈；二是地面数据中心面临高能耗、高碳排放、散热难、用地紧张及资源错配等问题，难以满足AI时代对算力的渴求。

“天数天算”模式为此提供了全新路径。该模式将数据处理、存储与智能分析能力直接部署至太空轨道，通过卫星、空间站构建分布式计算节点，使太空设施从数据采集终端转变为具备自主决策能力的“在轨智能体”。原始数据无需全部回传，而是在轨道完成实时处理、目标识别与信息筛选，仅将高价值的“词元”（Token）或结果传回地面，大幅缓解带宽压力。

主要国家太空能源战略布局

太空能源已成为大国博弈的重要领域，各国纷纷通过专项战略、资金投入和技术攻关，争夺未来主动权。

美国：起步早、投入大，构建全产业链优势

美国在太空能源领域布局最早、投入最大。

战略层面，美国将太空能源纳入国家太空战略核心。NASA将柔性薄膜和钙钛矿光伏技术列为下一代空间能源体系支柱，写入《2023-2032年行星科学和天体生物学十年战略》及《航天技术路线图与优先发展技术》，旨在开发耐受极端温变与强辐射环境的能源系统，支撑月球与火星基地建设，并通过太空原位资源利用技术实现地外能源自主供给。

技术层面，美国聚力打造集科研、产业与国家安全于一体的创新高地，支持商业企业参与研发，形成从核心材料、器件制造到系统集成、应用服务的完整产业链。

• 英伟达：2026年3月发布专为太空环境设计的Space-1 Vera Rubin模块。
• Swift Solar：正在开发钙钛矿-硅串联电池。
• SpaceX：可重复使用火箭技术成熟，发射成本有望降至1700美元/公斤，未来甚至可能跌破200美元/公斤。SpaceX聚焦太空算力与能源协同，计划部署百万级卫星轨道数据中心，联合xAI建设太空芯片工厂，并将80%算力部署至轨道。其“星链”星座自2021年起采用星间激光终端，构建轨道网状网络，实现太空数据实时路由。

欧洲：统筹协调，夯实技术根基

欧洲通过欧洲航天局（ESA）统筹协调，侧重联合成员国科研力量与企业，夯实天基能源系统技术基础。

战略层面，欧洲将太空能源纳入欧盟旗舰项目“地平线欧洲”计划，设立空间光伏专项，支持跨国研发，为未来高比功率、轻量化天基能源系统奠定基础。

技术层面，ESA联合德国、法国、意大利等国团队，测试提升电池抗辐射、抗温变能力，共同攻克超大型高效散热系统等技术瓶颈，在关键技术攻关、标准制定和资源共享方面深化合作。

• 德国Mynaric：在激光通信领域具备优势，研发的空对地激光通信终端通过多地面站布局，克服大气干扰、云层及湍流影响，为太空信息传输提供支撑。
• 法国科研团队：聚焦钙钛矿电池材料创新，提升电池效率与稳定性，推动工程化应用。

中国：加速布局，实现从“跟跑”到“领跑”

中国近年来在太空能源领域布局提速，致力于构建自主可控体系，实现跨越式发展。

战略层面，中国将太空能源发展融入航天强国建设与国家“双碳”战略。

技术层面，中国聚焦柔性薄膜光伏、激光通信等核心技术，取得多项突破：
* 柔性薄膜光伏电池效率多次刷新世界纪录；
* 实现近地轨道与地面间10Gb/s激光连接，推动太空信息传输技术发展；
* “三体计算星座”实现灾害监测秒级预警；
* 完成全球首次“太空AI指挥地面机器人”闭环测试。

同时，中国加速推进核心供应链自主可控，完成高纯前驱体、新型轻质电极、特种功能膜材及航天级超薄柔性玻璃等关键材料国产化验证，破解“卡脖子”难题。

中国还谋划在“十五五”时期推动吉瓦级太空数智基础设施建设，构建云边端一体的新型太空体系架构，实现100Gb/s及以上传输速率，并与多国及国际组织开展合作，共建星地/星间激光通信网络。

挑战与未来展望

尽管主要大国已积累较好基础，但太空能源与算力协同布局仍面临技术、经济与系统工程层面的多重挑战：

• 技术瓶颈：高性能抗辐射芯片、超大型高效散热系统和可靠的星间网络是三大核心难题。太空高能粒子辐射威胁芯片性能，而缺乏空气和水的环境使得高密度算力单元的热量只能通过热辐射释放，对散热系统设计提出极高要求。
• 经济压力：太空能源设施建设、发射和运维成本高昂，商业化之路需跨越成本与收益平衡难题。
• 系统工程复杂性：大规模在轨算力网络涉及能源供给、数据吞吐、轨道部署、在轨运维等多个环节的高度耦合，极具挑战性。

未来发展趋势与建议：

1. 加大关键领域研发：重点投入抗辐射芯片、高效散热技术，通过技术试验卫星积累工程经验，逐步向大规模星座系统演进。
2. 拓展高价值应用场景：积极探索太空能源和算力协同在遥感服务、应急通信、智慧城市等领域的应用，以市场需求为导向，加速技术迭代和商业化闭环。
3. 技术突破方向：重点围绕轻量化高效光伏技术、激光通信技术、太空电算协同技术三大方向突破，提升利用效率，降低开发成本。
4. 太空原位制造：随着在轨组装与维修技术成熟，将降低发射与维护成本，推动规模化部署。
5. 空天地一体化算力网络：随着星载芯片抗辐射能力与算力性能提升，空天地一体化算力网络将逐步建成，实现“天地同算”“天数天算”，推动AI大模型在轨部署。如同GNSS系统一样，该网络将为AI大模型、自动驾驶、量子计算等提供稳定、高效、零碳、智能的算力支撑。
6. 深空探测支撑：太空能源将为月球基地、火星基地建设提供能源支撑，实现地外能源自主供给，推动人类深空探测从“探测”向“定居”转变。
7. 全球治理与合作：太空能源已成为全球综合竞争新高地。国际社会需加强合作，共同制定技术标准与规范，建立透明、公平的国际合作与竞争规则，避免资源无序争夺，推动可持续发展。

太空零碳能源有望为人类探索宇宙、实现可持续发展提供动力，开启一个全新的“天算时代”。

（作者为中国环境科学学会碳达峰碳中和分会副主任委员兼秘书长）■

(责任编辑：综合)