Caltech’s SSPD-1 is een nieuw idee voor zonne-energie in de ruimte

Het idee om de beschaving van energie te voorzien vanuit gigantische zonne-energiecentrales in een baan om de aarde is ouder dan welk ruimteprogramma dan ook, maar ondanks zeventig jaar raketwetenschap is het concept – het verzamelen van vrijwel constant zonlicht op tienduizenden kilometers boven de evenaar en terugstralend naar Aarde als microgolven. , en er elektriciteit van maken – ligt nog steeds verleidelijk aan de horizon. Verschillende recentelijk gepubliceerde diepgaande analyses in opdracht van NASA en de European Space Agency hebben de hoop onderuit gehaald dat zonne-energie in de ruimte in de nabije toekomst op betaalbare wijze vele gigawatt aan schone energie zou kunnen produceren. En toch leeft de droom voort.

De droom bereikte een soort lancering in januari 2023. Toen werd SSPD-1, een demonstratiesatelliet voor zonne-energie in de ruimte met een groot aantal nieuwe technologieën ontworpen door het California Institute of Technology, in een lage baan om de aarde gebracht voor een jaar vol missies. Met zorgen over de technische haalbaarheid van het robotisch assembleren van satellieten in de ruimte, elk een orde van grootte groter dan het internationale ruimtestation, overwoog het Caltech-team heel verschillende benaderingen van zonne-energie in de ruimte.

Voor een update over wat de SSPD-1-missie heeft bereikt en hoe deze toekomstige concepten voor ruimtesatellieten op zonne-energie zal vormgeven: IEEE-spectrum sprak met Ali Hajimiri, een IEEE Fellow, hoogleraar elektrotechniek bij Caltech en mededirecteur van het Space Solar Energy Project van de school. Het interview is ingekort en geredigeerd voor lengte en duidelijkheid.

SSPD-1 werd vanaf verschillende testbanken gevlogen. Laten we beginnen met de MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) testbaan voor draadloze energieoverdracht: Toen u en uw team in mei 2023 op het dak van uw campusgebouw klommen en uw antennes richtten op de richting van de satelliet, pikte uw apparatuur toen het daadwerkelijke vermogen op dat werd uitgezonden of alleen een diagnostisch signaal?

Maar Hajimiri: Ik zou het detectie noemen. Het primaire doel van het MAPLE-experiment was het demonstreren van draadloze energietransmissie in de ruimte met behulp van flexibele, lichtgewicht structuren en standaard CMOS-geïntegreerde schakelingen. Aan de ene kant bevinden zich de antennes die de stroom overbrengen, en aan de andere kant bevinden zich onze op maat gemaakte CMOS-chips die deel uitmaken van de stroomtransmissie-elektronica. Het doel van deze dingen is om heel licht te zijn, om de kosten van het lanceren in de ruimte te verminderen, en om heel flexibel te zijn wat betreft opslag en inzet, omdat we het als een zeil willen op- en uitrollen.

Ali Hajimiri is mededirecteur van het Space Solar Energy Project van Caltech.Caltech

Ik begrijp het, rol ze op zodat ze in de raket passen, rol ze vervolgens uit en rek ze plat uit zodra ze in een baan om de aarde zijn gelanceerd.

Hajimiri: Het primaire doel van MAPLE was om te laten zien dat deze dunne arrays en geïntegreerde CMOS-circuits in de ruimte konden werken. Niet alleen dat, maar ook dat ze de draadloze transmissie van energie naar verschillende doelen in de ruimte, verschillende ontvangers, kunnen beheren. En met vermogensoverdracht bedoel ik het netto uitgangsvermogen aan de ontvangerzijde. We hebben krachtoverbrenging in de ruimte gedemonstreerd en veel metingen gedaan. We schrijven nu de details en zullen de resultaten publiceren.

Het tweede deel van dit experiment – ​​eigenlijk het langetermijndoel – was het demonstreren van het vermogen om de straal naar de juiste plek op aarde te richten en te kijken of we de verwachte energieniveaus zouden halen. Hoe groter de reeks transmissies in de ruimte, hoe groter het vermogen om energie op een kleinere plek op de grond te concentreren.

Klopt, omdat bundeldiffractie de vlekgrootte beperkt, als functie van de zendergrootte en de microgolffrequentie.

Hajimiri: Ja. De array die we in de MAPLE-ruimte hadden, was erg klein. Hierdoor verspreidde de zender het vermogen over een zeer groot gebied. We hebben dus een heel klein deel van de energie opgevangen – daarom noem ik het detectie; het was geen netto positieve kracht. Maar we hebben het gemeten. We wilden zien: krijgen we wat we voorspellen uit onze berekeningen? En we ontdekten dat het binnen het juiste bereik van vermogensniveaus lag dat we van een experiment als dit verwachtten.

Dus qua sterkte vergelijkbaar met signalen die binnenkomen bij standaard communicatiesatellieten.

Hajimiri: Maar als u klaar bent met het gebruik van dit flexibele, lichtgewicht systeem, is dat wat het nog beter maakt. U kunt zich voorstellen dat de volgende generatie communicatiesatellieten of ruimtesensoren daarmee wordt gebouwd, om het systeem aanzienlijk goedkoper, lichter en gemakkelijker in te zetten te maken. De satellieten die nu voor Starlink en Kuiper worden gebruikt, werken prima, maar zijn omvangrijk en zwaar. Met deze technologie van de volgende generatie zou je er honderden kunnen inzetten met een zeer kleine en veel goedkopere lancering. Dit zou kunnen leiden tot een veel efficiënter internet in de lucht.

Vertel me over ALBA, het experiment tijdens de missie waarbij 32 verschillende en nieuwe typen fotovoltaïsche zonnecellen werden getest om te zien hoe ze in de ruimte presteerden. Wat waren de belangrijkste inzichten?

Hajimiri: Mijn Caltech-collega Harry Atwater leidde dat experiment. Wat het beste werkt op aarde, is niet noodzakelijkerwijs wat het beste werkt in de ruimte. Er is veel stralingsschade in de ruimte en ze kunnen de degradatiesnelheid maandenlang meten. Aan de andere kant is er geen waterdamp in de ruimte, geen luchtoxidatie, wat goed is voor materialen zoals perovskieten die daar problemen mee hebben. Harry en zijn team onderzoeken dus compromissen en ontwikkelen veel nieuwe cellen die veel goedkoper en lichter zijn: cellen gemaakt van dunne films van perovskieten of halfgeleiders zoals galliumarsenide, cellen die kwantumstippen gebruiken of golfgeleiders of andere optica gebruiken om licht te concentreren. Veel van deze cellen zijn veelbelovend. Vooral zeer dunne lagen galliumarsenide lijken zeer geschikt voor het maken van cellen die licht van gewicht zijn, maar zeer hoge prestaties leveren en veel goedkoper zijn, omdat ze heel weinig halfgeleidermateriaal nodig hebben.

Veel ontwerpconcepten voor satellieten op zonne-energie, waaronder het ontwerp dat uw groep in de voordruk van 2022 publiceerde, bevatten concentrators om de benodigde hoeveelheid fotovoltaïsche oppervlakte en massa te verminderen.

Hajimiri: De uitdaging bij dat ontwerp is de vrij smalle acceptatiehoek: de dingen moeten precies goed worden uitgelijnd zodat gefocust zonlicht de cel goed kan bereiken. Dat is een van de redenen waarom we van die aanpak zijn afgestapt en naar een plat ontwerp zijn gegaan.

Uitzicht vanuit de MAPLE: Aan de rechterkant bevindt zich een reeks flexibele microgolfkrachtzenders, en aan de linkerkant bevinden zich de ontvangers die dat vermogen overbrengen.Caltech

Er zijn nog enkele andere grote verschillen tussen het Caltech-energiesatellietontwerp en andere concepten die er zijn. Andere ontwerpen die ik heb gezien, zouden bijvoorbeeld microgolven gebruiken in het Wi-Fi-bereik, tussen 2 en 6 gigahertz, omdat er goedkope componenten beschikbaar zijn voor die frequenties. Maar die van jou bevindt zich op 10 GHz?

Hajimiri: Precies, en dat is een groot voordeel, want als je de frequentie verdubbelt, wordt de omvang van het systeem in de ruimte en op de grond met een factor vier verkleind. In principe kunnen we dit doen omdat we onze eigen microchips bouwen en veel mogelijkheden hebben op het gebied van millimetergolfcircuitontwerp. We hebben enkele van deze flexibele panelen gedemonstreerd die op 28 GHz werken.

En vermijdt uw ontwerp de noodzaak voor robots om grootschalige assemblage van componenten in de ruimte uit te voeren?

Hajimiri: Ons idee is om een ​​vloot van deze zeilachtige structuren in te zetten die dan allemaal in dichte formatie vliegen. Ze zijn niet gerelateerd aan elkaar. Dit betekent een aanzienlijke verlaging van de kosten. Elke soort heeft kleine stuwraketten aan de randen en bevat interne sensoren waarmee hij tijdens de vlucht zijn eigen vorm kan meten en vervolgens de fase van zijn transmissie dienovereenkomstig kan corrigeren. Elk zou ook zijn positie ten opzichte van zijn buren en zijn hoek ten opzichte van de zon volgen.

Wat zijn vanuit jouw perspectief als elektrotechnisch ingenieur de echt moeilijke problemen die nog moeten worden opgelost?

Hajimiri: Tijdsynchronisatie tussen alle delen van de zenderarray is ongelooflijk cruciaal en een van de meest interessante uitdagingen voor de toekomst.

Omdat de zender een phased array is, moet elk van de miljoen kleine antennes in de array nauwkeurig worden gesynchroniseerd met de fase van zijn buren om de straal naar het ontvangststation op de grond te kunnen richten.

Hajimiri: Oke. Om je een idee te geven van de timingprecisie die we nodig hebben in een array als deze: we moeten faseruis en timingjitter terugbrengen tot slechts een paar picoseconden over een zender met een breedte van een kilometer. In het laboratorium doen we dit met draden of optische vezels van nauwkeurige lengte die in CMOS-chips gaan met ingebouwde fotodiodes. We hebben enkele ideeën over hoe we dit draadloos kunnen doen, maar vergis je niet: het is een lange reis.

Wat zijn de andere grote uitdagingen?

Hajimiri: De enorme omvang van het systeem en de nieuwe productie-infrastructuur die nodig is om het te bouwen, verschilt enorm van alles wat de mensheid ooit heeft gebouwd. Als ik de uitdagingen zou rangschikken, zou ik de wil, de middelen en de mentaliteit achter een project van deze omvang op nummer één zetten.