Vi kan snart få energi från solenergi som skördats i rymden

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Av Matteo Ceriotti, universitetslektor i rymdteknik, University of Glasgow, skriver i Avlyssningen.

Idén med rymdbaserad solenergi (SBSP) – att använda satelliter för att samla in energi från solen och "stråla" den till samlingspunkter på jorden – har funnits sedan åtminstone i slutet av 1960-talet. Trots sin enorma potential har konceptet inte fått tillräcklig dragkraft på grund av kostnader och tekniska hinder.

Kan några av dessa problem nu lösas? Om så är fallet kan SBSP bli en viktig del av världens övergång från fossila bränslen till grön energi.

Vi skördar redan energi från solen. Det samlas in direkt genom vad vi i allmänhet kallar solenergi. Detta omfattar olika teknologier såsom solceller (PV) och solvärmeenergi. Solens energi samlas också in indirekt: vindenergi är ett exempel på detta, eftersom vindar genereras av ojämn uppvärmning av atmosfären av solen.

Men dessa gröna former av kraftproduktion har begränsningar. De tar mycket plats på land och begränsas av tillgången på ljus och vind. Till exempel samlar inte solgårdar energi på natten och samlar mindre av den på vintern och molniga dagar.

PV i omloppsbana kommer inte att begränsas av nattens början. En satellit i geostationär omloppsbana (GEO) – en cirkulär bana runt 36,000 99 km över jorden – exponeras för solen i mer än 24 % av tiden under ett helt år. Detta gör att den kan producera grön energi 7/XNUMX.

GEO är idealisk för när energi behöver skickas från rymdfarkosten till en energiuppsamlare, eller markstation, eftersom satelliter här är stationära med avseende på jorden. Man tror att det finns 100 gånger mer solenergi tillgängligt från GEO än mänsklighetens uppskattade globala energibehov år 2050.

Att överföra energi som samlats i rymden till marken kräver trådlös kraftöverföring. Att använda mikrovågor för detta minimerar energin som går förlorad i atmosfären, även genom molnig himmel. Mikrovågsstrålen som sänds av satelliten kommer att fokuseras mot markstationen, där antenner omvandlar de elektromagnetiska vågorna tillbaka till elektricitet. Markstationen kommer att behöva ha en diameter på 5 km, eller mer på höga breddgrader. Detta är dock fortfarande mindre än de markområden som behövs för att producera samma mängd energi med hjälp av sol eller vind.

Begrepp som utvecklas
Många mönster har föreslagits sedan det första konceptet av Peter Glaser 1968.

I SBSP omvandlas energin flera gånger (ljus till elektricitet till mikrovågor till elektricitet), och en del av den går förlorad som värme. För att injicera 2 gigawatt (GW) effekt i elnätet kommer cirka 10 GW effekt att behöva samlas in av satelliten.

Ett nytt koncept kallat CASSIOPeiA består av två 2 km breda styrbara reflektorer. Dessa reflekterar solljuset till en rad solpaneler. Dessa kraftsändare, cirka 1,700 2,000 meter i diameter, kan riktas mot markstationen. Det uppskattas att satelliten kan ha en massa på XNUMX XNUMX ton.

En annan arkitektur, SPS-ALPHA, skiljer sig från CASSIOPeiA genom att solfångaren är en stor struktur som bildas av ett stort antal små, modulära reflektorer som kallas heliostater, som var och en kan flyttas oberoende av varandra. De massproduceras för att minska kostnaderna.

År 2023 lanserade forskare vid Caltech MAPLE, ett småskaligt satellitexperiment som skickade en liten mängd kraft tillbaka till Caltech. LÖRN bevisade att tekniken kunde användas för att leverera kraft till jorden.

Jord

Nationellt och internationellt intresse
SBSP kan spela en avgörande roll för att uppfylla Storbritanniens netto-nollmål till 2050 – men regeringens nuvarande strategi inkluderar det inte. En oberoende studie fann att SBSP skulle kunna generera upp till 10 GW el år 2050, en fjärdedel av Storbritanniens nuvarande efterfrågan. SBSP ger en säker och stabil energiförsörjning.

Det kommer också att skapa en industri med flera miljarder pund, med 143,000 2025 jobb över hela landet. Europeiska rymdorganisationen utvärderar för närvarande SBSP:s lönsamhet med sitt SOLARIS-initiativ. Detta kan följas av en fullständig utvecklingsplan för tekniken till XNUMX.

Andra länder har nyligen meddelat avsikten att sända kraft till jorden till 2025, och flytta till större system inom de kommande två decennierna.

En enorm satellit
Om tekniken är klar, varför används inte SBSP? Den huvudsakliga gränsen är den enorma mängd massa som måste skjutas ut i rymden, och dess kostnad per kilogram. Företag som SpaceX och Blue Origin utvecklar bärraketer för tunga lyft, med fokus på att återanvända delar av dessa fordon efter att de har flugit. Detta kan få ner kostnaden för satsningen med 90 %.

Även om man använder SpaceX:s Starship-fordon, som kan skjuta upp 150 ton last i låg omloppsbana om jorden, kommer SBSP-satelliten att kräva hundratals uppskjutningar. Vissa komponenter, som långa strukturella takstolar – strukturella element utformade för att sträcka sig över långa avstånd – skulle kunna 3D-printas i rymden.

Utmaningar och risker
Ett SBSP-uppdrag kommer att vara utmanande – och riskerna måste fortfarande bedömas fullständigt. Medan den producerade elen är helt grön, är effekten av föroreningarna från hundratals tunga uppskjutningar svåra att förutse.

Dessutom kommer kontroll av en så stor struktur i rymden att kräva avsevärda mängder bränsle, vilket innebär att ingenjörer arbetar med ibland mycket giftiga kemikalier. Solcellspanelerna kommer att påverkas av nedbrytning, vilket minskar effektiviteten över tiden från 1 % till 10 % per år. Service och tankning skulle dock kunna användas för att förlänga satellitens livslängd nästan på obestämd tid.

En mikrovågsstråle som är kraftfull nog att nå marken kan också skada allt som kom i vägen. För säkerhets skull måste strålens effekttäthet begränsas.

Utmaningen att bygga sådana här plattformar i rymden kan verka skrämmande, men rymdbaserad solenergi är tekniskt genomförbar. För att vara ekonomiskt lönsamt krävs storskalig ingenjörskonst, och därför ett långsiktigt och beslutsamt engagemang från regeringar och rymdorganisationer.

Men med allt detta på plats kan SBSP ge ett grundläggande bidrag till att leverera nettonoll till 2050 med hållbar, ren energi från rymden.

Denna artikel uppträdde ursprungligen i Avlyssningen.