Is zonne-energie in de ruimte een dure, riskante droom? Of is het een duurzame manier om de klimaatverandering te bestrijden? Hoewel het overbrengen van zonne-energie van de ruimte naar de aarde uiteindelijk de overdracht van gigawatts zou kunnen betekenen, zou het proces verrassend veilig en kosteneffectief kunnen zijn, volgens experts van Space Solar, de European Space Agency en de Universiteit van Glasgow.
Maar we zullen veel verder moeten gaan dan demo-hardware en een aantal technische uitdagingen moeten aanpakken als we dat potentieel willen ontwikkelen.
Ontwerpen van zonne-energie in de ruimte
Het overbrengen van zonne-energie vanuit de ruimte is niet nieuw; Telecommunicatiesatellieten sturen sinds de jaren zestig microgolfsignalen, gegenereerd door zonne-energie, terug naar de aarde. Maar het sturen van bruikbare hoeveelheden energie is een heel andere zaak.
“Een idee [has] het bestaat al iets meer dan een eeuw”, zegt Nicol Caplin, een wetenschapper op het gebied van diepe ruimteverkenning bij ESA, in de Physics World-podcast. “De oorspronkelijke concepten waren echt sciencefiction. Het is een beetje geworteld in sciencefiction, maar sindsdien is er een trend van interesse die komt en gaat.”
Onderzoekers komen met meerdere ontwerpen voor zonne-energie in de ruimte. Matteo Ceriotti, hoofddocent ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Glasgow, schreef in The Conversation dat er veel ontwerpen waren voorgesteld.
Het Solaris Initiative onderzoekt twee mogelijke technologieën, volgens Sanjay Vijendran, die het Solaris Initiative bij ESA leidt: een waarbij microgolven van een station in een geostationaire baan naar een ontvanger op aarde worden gestuurd, en een andere waarbij gigantische spiegels in een lagere baan worden gebruikt om reflecteren zonlicht naar zonneparken. Hij zei dat hij denkt dat beide oplossingen potentieel waardevol zijn. Microgolftechnologie trok een bredere belangstelling en vormde de belangrijkste focus van deze interviews. Het heeft een enorm potentieel, hoewel er ook hoogfrequente radiogolven kunnen worden gebruikt.
“Je hebt echt een 24/7 bron van schone energie uit de ruimte”, zei Vijendran. Dankzij de microgolffrequentie kan stroom worden overgedragen, ongeacht de weersomstandigheden.
“Een energiecentrale van 1 gigawatt in de ruimte zou vergelijkbaar zijn met de eerste vijf zonneparken op aarde. Een elektriciteitscentrale van 1 gigawatt zou ongeveer 875.000 huizen een jaar lang van stroom kunnen voorzien”, zegt Andrew Glester, presentator van de Physics World-podcast.
Maar we zijn nog niet klaar om zoiets te implementeren. “Het wordt een enorme technische uitdaging”, aldus Caplin. Er zijn talloze fysieke obstakels betrokken bij het succesvol bouwen van een zonne-energiecentrale in de ruimte.
Met behulp van microgolftechnologie zou een zonnepaneel voor een in een baan om de aarde draaiende energiecentrale die een gigawatt aan energie genereert groter moeten zijn dan één vierkante kilometer, volgens een Nature-artikel van senior verslaggever Elizabeth Gibney. “Dat is meer dan honderd keer zo groot als het internationale ruimtestation, dat tien jaar duurde om te bouwen.” Het zou ook robotisch moeten worden geassembleerd, omdat de orbitale faciliteit onbemand zou zijn.
Zonnecellen zouden bestand moeten zijn tegen ruimtestraling en puin. Ze zouden ook efficiënt en licht van gewicht moeten zijn, met een verhouding tussen vermogen en gewicht die vijftig keer zo groot is als die van typische siliciumzonnecellen, schreef Gibney. Het verlagen van de kosten van deze cellen is een andere factor waarmee ingenieurs rekening moeten houden. Het verminderen van verliezen tijdens de krachtoverbrenging is een andere uitdaging, schreef Gibney. Volgens ESA moet de energieconversie worden verbeterd tot 10-15 procent. Hiervoor zou technische vooruitgang nodig zijn.
Space Solar werkt aan een satellietontwerp genaamd CASSIOPeiA, dat door Physics World wordt beschreven als “als een wenteltrap, waarbij de fotovoltaïsche panelen de ‘treden’ zijn en de microgolfzenders – staafdipolen – de ‘risers’ zijn.” vorm zonder bewegende delen.
“Ons systeem bestaat uit honderdduizenden dezelfde voedingsmodules ter grootte van een bord. Elke module heeft PV-energie die zonne-energie omzet in gelijkstroom”, zegt Sam Adlen, CEO van Space Solar.
“Die gelijkstroom drijft vervolgens de elektronica aan om stroom over te dragen… vanuit de dipoolantennes naar de aarde. Die kracht in het universum verandert in [microwaves] en straalt het in een coherente straal naar de aarde, waar het wordt ontvangen door een gelijkrichtantenne, weer wordt omgezet in elektriciteit en aan het elektriciteitsnet wordt geleverd.”
Adlen zei dat robottechnologieën voor ruimtetoepassingen, zoals assemblage in een baan om de aarde, zich snel ontwikkelen.
Ceriotti schreef dat SPS-ALPHA, een ander ontwerp, een grote zonnecollectorstructuur heeft die veel heliostaten omvat, dit zijn modulaire kleine reflectoren die afzonderlijk kunnen worden verplaatst. Ze concentreren zonlicht in afzonderlijke modules om stroom op te wekken, waarna het door een andere module naar de aarde wordt teruggestuurd.