We zouden binnenkort energie kunnen halen uit zonne-energie die in de ruimte wordt geoogst

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Door Matteo Ceriotti, Senior Lecturer in Space Systems Engineering, University of Glasgow, schrijft in The Conversation.

Het idee van op de ruimte gebaseerde zonne-energie (SBSP) - met behulp van satellieten om energie van de zon te verzamelen en naar verzamelpunten op aarde te "stralen" - bestaat al sinds het einde van de jaren zestig. Ondanks zijn enorme potentieel heeft het concept niet voldoende grip gekregen vanwege kosten en technologische hindernissen.

Kunnen sommige van deze problemen nu worden opgelost? Als dat zo is, zou SBSP een essentieel onderdeel kunnen worden van de wereldwijde overgang van fossiele brandstoffen naar groene energie.

We oogsten al energie van de zon. Het wordt rechtstreeks verzameld via wat we over het algemeen zonne-energie noemen. Dit omvat verschillende technologieën zoals fotovoltaïsche energie (PV) en thermische zonne-energie. De energie van de zon wordt ook indirect opgevangen: windenergie is hier een voorbeeld van, omdat briesjes worden opgewekt door ongelijkmatige opwarming van de atmosfeer door de zon.

Maar deze groene vormen van stroomopwekking hebben beperkingen. Ze nemen veel ruimte in beslag op het land en worden beperkt door de beschikbaarheid van licht en wind. Zo halen zonneparken 's nachts geen energie op en in de winter en op bewolkte dagen juist minder.

PV in een baan om de aarde wordt niet beperkt door het begin van de nacht. Een satelliet in een geostationaire baan (GEO) – een cirkelvormige baan rond 36,000 km boven de aarde – wordt meer dan 99% van de tijd gedurende een heel jaar aan de zon blootgesteld. Hierdoor kan het 24/7 groene stroom produceren.

GEO is ideaal wanneer energie van het ruimtevaartuig naar een energiecollector of grondstation moet worden gestuurd, omdat satellieten hier stationair zijn ten opzichte van de aarde. Er wordt gedacht dat er tegen 100 2050 keer meer zonne-energie beschikbaar is bij GEO dan de geschatte wereldwijde energiebehoefte van de mensheid.

Het overbrengen van in de ruimte verzamelde energie naar de grond vereist draadloze krachtoverbrenging. Door hiervoor microgolven te gebruiken, wordt het energieverlies in de atmosfeer geminimaliseerd, zelfs bij een bewolkte hemel. De microgolfstraal die door de satelliet wordt uitgezonden, wordt gericht op het grondstation, waar antennes de elektromagnetische golven weer omzetten in elektriciteit. Het grondstation moet een diameter hebben van 5 km of meer op hoge breedtegraden. Dit is echter nog steeds kleiner dan de oppervlakten land die nodig zijn om dezelfde hoeveelheid stroom op te wekken met behulp van zon of wind.

Evoluerende concepten
Sinds het eerste concept van Peter Glaser in 1968 zijn er talloze ontwerpen voorgesteld.

In SBSP wordt de energie meerdere keren omgezet (licht naar elektriciteit naar microgolven naar elektriciteit), en een deel ervan gaat verloren als warmte. Om 2 gigawatt (GW) stroom in het net te injecteren, moet de satelliet ongeveer 10 GW aan stroom verzamelen.

Een recent concept genaamd CASSIOPeiA bestaat uit twee 2 km brede bestuurbare reflectoren. Deze weerkaatsen het zonlicht in een reeks zonnepanelen. Deze krachtzenders, met een diameter van ongeveer 1,700 meter, kunnen op het grondstation worden gericht. Geschat wordt dat de satelliet een massa van 2,000 ton zou kunnen hebben.

Een andere architectuur, SPS-ALPHA, verschilt van CASSIOPeiA doordat de zonnecollector een grote structuur is die wordt gevormd door een groot aantal kleine, modulaire reflectoren, heliostaten genaamd, die elk afzonderlijk kunnen worden verplaatst. Ze worden in massa geproduceerd om de kosten te drukken.

In 2023 lanceerden wetenschappers van Caltech MAPLE, een kleinschalig satellietexperiment dat een kleine hoeveelheid stroom terugstraalde naar Caltech. MAPLE bewees dat de technologie kon worden gebruikt om de aarde van stroom te voorzien.

De aarde

Nationale en internationale belangstelling
SBSP zou een cruciale rol kunnen spelen om de netto-nuldoelstelling van het VK tegen 2050 te halen, maar de huidige strategie van de regering houdt daar geen rekening mee. Uit een onafhankelijke studie bleek dat SBSP tegen 10 tot 2050 GW aan elektriciteit zou kunnen opwekken, een kwart van de huidige vraag in het VK. SBSP zorgt voor een veilige en stabiele energievoorziening.

Het zal ook een miljardenindustrie creëren, met 143,000 banen in het hele land. Het European Space Agency evalueert momenteel de levensvatbaarheid van SBSP met zijn SOLARIS-initiatief. Dit zou kunnen worden gevolgd door een volledig ontwikkelingsplan voor de technologie tegen 2025.

Andere landen hebben onlangs de intentie aangekondigd om tegen 2025 stroom naar de aarde te sturen en binnen de komende twee decennia naar grotere systemen te verhuizen.

Een enorme satelliet
Als de technologie er klaar voor is, waarom wordt SBSP dan niet gebruikt? De belangrijkste limiet is de enorme hoeveelheid massa die in de ruimte moet worden gelanceerd, en de kosten per kilogram. Bedrijven zoals SpaceX en Blue Origin ontwikkelen lanceervoertuigen voor zware lasten, waarbij de nadruk ligt op het hergebruik van delen van die voertuigen nadat ze zijn gevlogen. Dit kan de kosten van de onderneming met 90% verlagen.

Zelfs met het Starship-voertuig van SpaceX, dat 150 ton vracht in een lage baan om de aarde kan lanceren, zal de SBSP-satelliet honderden lanceringen nodig hebben. Sommige componenten, zoals lange structurele spanten – structurele elementen die zijn ontworpen om lange afstanden te overbruggen – zouden in de ruimte 3D-geprint kunnen worden.

Uitdagingen en risico's
Een SBSP-missie zal een uitdaging zijn - en de risico's moeten nog steeds volledig worden beoordeeld. Hoewel de geproduceerde elektriciteit volledig groen is, is de impact van de vervuiling door honderden zware lanceringen moeilijk te voorspellen.

Bovendien vereist het besturen van zo'n grote structuur in de ruimte aanzienlijke hoeveelheden brandstof, waarbij ingenieurs werken met soms zeer giftige chemicaliën. De fotovoltaïsche zonnepanelen zullen worden aangetast door degradatie, waardoor de efficiëntie in de loop van de tijd afneemt van 1% tot 10% per jaar. Onderhoud en bijtanken kunnen echter worden gebruikt om de levensduur van de satelliet bijna voor onbepaalde tijd te verlengen.

Een straal microgolven die krachtig genoeg is om de grond te bereiken, kan ook alles beschadigen wat in de weg staat. Voor de veiligheid zal dan de vermogensdichtheid van de bundel moeten worden beperkt.

De uitdaging om dergelijke platforms in de ruimte te bouwen lijkt misschien ontmoedigend, maar zonne-energie in de ruimte is technologisch haalbaar. Om economisch levensvatbaar te zijn, is grootschalige engineering vereist, en dus een langdurig en doortastend engagement van regeringen en ruimteagentschappen.

Maar met dat alles zou SBSP een fundamentele bijdrage kunnen leveren aan het leveren van netto nul in 2050 met duurzame, schone energie uit de ruimte.

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in The Conversation.