Rumbaseret solenergi: kunne strålende sollys tilbage til Jorden opfylde vores energibehov?

Den teoretiske fysiker Freeman Dyson forestillede sig engang en fremmed civilisation, der var så avanceret, at den havde omgivet sin moderstjerne med en gigantisk, kunstig skal. Den indre overflade af denne "Dyson sfære" ville opfange solstråling og overføre den til opsamlingssteder, hvor den ville blive omdannet til brugbar energi. En sådan forestilling forbliver science fiction, men kunne et lignende princip bruges i meget mindre skala til at udnytte kraften fra vores egen sol?

Når alt kommer til alt, ud over skyerne, i det natteløse flamme af nær-jordens rum, er der mere uafbrudt solenergi, end menneskeheden realistisk kunne kræve i århundreder fremover. Det er derfor, en gruppe videnskabsmænd og ingeniører i mere end 50 år har udtænkt teknikker til at fange denne energi i rummet og sende den tilbage til jorden.

"Rumbaseret solenergi", som det er kendt, har to enorme fordele i forhold til traditionelle metoder til at udnytte solen og vinden. For det første betyder det at sætte en sollysfangende satellit i rummet, at vi ikke behøver at dække store dele af jorden på Jorden med solpaneler og vindmølleparker. For det andet ville vi have rigeligt med energi, selv når det på trods af lokale vejrforhold er overskyet, eller vinden er gået ud.

Og det er problemet med solenergi og vindkraft her på Jorden: de kan aldrig opfylde vores energibehov på et konsekvent grundlag, selvom de er stærkt udvidet. Forskere ved University of Nottingham anslog sidste år, at hvis Storbritannien skulle stole helt på disse vedvarende kilder, ville landet skulle lagre mere end 65 terawatt-timers energi. Det ville koste over 170 milliarder pund, mere end det dobbelte af landets kommende højhastighedstognetværk (energier 14 8524).

De fleste bestræbelser på at realisere rumbaseret solenergi har desværre ramt tilsyneladende vanskelige tekniske og økonomiske problemer. Men tiderne ændrer sig. Innovativt satellitdesign, såvel som meget lavere opsendelsesomkostninger, får pludselig rumbaseret solenergi til at virke som en realistisk løsning. Japan har skrevet det ind i loven som et nationalt mål, mens den Europæiske Rumorganisation har udsendt en opfordring til idéer. Kina , USA er begge bygningstestfaciliteter.

I mellemtiden har en høring offentliggjort af den britiske regering i 2021 konkluderede, at rumbaseret solenergi er teknisk og økonomisk gennemførlig. Det var fristende nok, at den regnede med, at denne teknologiske løsning kunne omsættes i praksis 10 år før 2050-målet om "netto nul" for det mellemstatslige panel om klimaændringer. Så er rumbaseret solenergi svaret på vores klimas problemer? Og hvis ja, hvad forhindrer det i at blive en realitet?

Rumdrømme

Det originale koncept med solenergi fra rummet blev opfundet i 1968 af Peter Glaser, en amerikansk ingeniør hos konsulentfirmaet Arthur D Little. Han forestillede sig at placere en enorm skiveformet satellit i geostationær bane omkring 36,000 km over Jorden (Videnskab 162 857). Satellitten, omkring 6 km i diameter, ville være lavet af fotovoltaiske paneler til at indsamle sollys og omdanne det til elektrisk energi. Denne energi ville derefter blive omdannet til mikrobølger ved hjælp af en rørforstærker og udstrålet til Jorden via en 2 km-diameter sender.

Det er den eneste form for grøn, vedvarende energi med potentiale til at levere kontinuerlig, grundlæggende elektrisk strøm.

Chris Rodenbeck, US Naval Research Laboratory

Skønheden ved mikrobølger er, at de ikke bliver absorberet af skyer her på Jorden, og derfor ville passere stort set (men ikke helt) uhindret gennem vores atmosfære. Glaser forestillede sig, at de blev opsamlet af en fast antenne på 3 km i diameter, hvor de ville blive omdannet til elektricitet til nettet. "Selvom brugen af ​​satellitter til konvertering af solenergi kan være flere årtier væk," skrev han, "er det muligt at udforske flere aspekter af den nødvendige teknologi som en guide til fremtidige udviklinger."

Den første reaktion var positiv i det mindste nogle kredse, hvor NASA tildelte Glasers virksomhed, Arthur D Little, en kontrakt for yderligere undersøgelse. I årenes løb har konklusionerne af efterfølgende undersøgelser af rumbaseret solenergi dog varieret fra forsigtigt positive til udadtil negative.

I 2015 fik teknologien for eksempel ikke mere end en lunken dom i en rapport fra Strategic Studies Institute (SSI) fra US Army War College, som citerede "ingen overbevisende bevis" for, at rumsolenergi kunne være økonomisk konkurrencedygtig med jordbaseret elproduktion. SSI kritiserede især de "tvivlsomme antagelser" lavet af dets tilhængere om at få sådan en enorm kredsende struktur ud i rummet. Kort sagt sagde rapporten, at der ikke er nok løfteraketter, og dem, der er tilgængelige, er for dyre.

Men SSI's mindre end lysende dom kom før private virksomheder - især SpaceX – begyndte at transformere rumindustrien. Ved at kombinere genanvendelige raketsystemer med en trial-and-error holdning til forskning og udvikling, har det amerikanske firma i løbet af det sidste årti reduceret omkostningerne ved opsendelse i kredsløb nær Jorden med mere end en faktor 10 (pr. kilo nyttelast) ), med planer om at reducere det med en størrelsesorden yderligere. Hvad SSI betragtede som en væsentlig begrænsning med hensyn til lanceringsomkostninger, er faktisk ikke længere et problem.

Ikke at omkostningerne ved at få en satellit ud i rummet har været det eneste problem. Glasers originale koncept var vildledende enkelt, med mange skjulte udfordringer. For det første, når en satellit kredser om Jorden, ændres vinklen mellem Solen, fartøjet og det punkt på Jorden, hvortil energien sendes, konstant. For eksempel, hvis en geostationær satellit trænes på Jorden, vil dens solceller vende mod Solen ved middagstid, men have ryggen mod Solen ved midnat. Med andre ord ville satellitten ikke generere elektricitet hele tiden.

Den oprindelige løsning på dette problem var konstant at rotere solcellepanelerne i forhold til mikrobølgesenderne, som ville forblive faste. Solcellepanelerne ville så altid pege mod Solen, mens senderne altid ville vende mod Jorden. Først fremsat i 1979 af NASA som en udvikling af Glasers ideer, blev løsningen udvidet yderligere i et forslag fra 2015 af ingeniører ved China Academy of Space Technology i Beijing, som kaldte det Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, eller MR-SPS (figur 1).

I mellemtiden John Mankins, en tidligere NASA-ingeniør, opfandt en rivaliserende løsning i 2012. Dubbet SPS Alpha, var hans idé at holde solpanelerne og senderen fast, men installere adskillige spejle omkring panelerne (figur 2). Kendt som heliostater, ville disse spejle være i stand til at rotere, kontinuerligt omdirigere sollys til solpanelerne og derved tillade satellitten at levere strøm til Jorden uden pause.

Hverken MR-SPS eller SPS Alpha er dog tilfredsstillende, iflg Ian Cash, direktør og maskinchef på International Electric Company Limited i Oxfordshire, Storbritannien. Cash, som var en tidligere designer af elektroniske systemer inden for bil-, rumfarts- og energisektoren, vendte for et årti siden tankerne til den private udvikling af rene energikilder i stor skala. Oprindeligt lokket af potentialet ved atomfusion, blev han afskrækket af dens "virkelig vanskelige" problemer og gik hurtigt i gang med rumbaseret solenergi som den mest praktiske mulighed.

For Cash er problemet med både MR-SPS og SPS Alpha, at de skal rotere nogle dele af satellitten i forhold til andre. Hver del vil derfor skulle være fysisk forbundet med en anden og have brug for et led, der bevæger sig. Problemet er, at når de bruges på satellitter som den internationale rumstation, kan sådanne samlinger svigte på grund af slitage. Udeladelse af ledforbindelser ville gøre en solenergisatellit mere pålidelig, konkluderede Cash. "Jeg ville finde ud af, hvad det ville kræve for at have en solid state-løsning, der altid ser Solen og Jorden," siger han.

I 2017 havde Cash fundet ud af det, eller det hævder han. Hans CASSIOPeiA koncept er en satellit, der i det væsentlige ligner en vindeltrappe, hvor fotovoltaiske paneler er "trinene", og mikrobølgesenderne - stavformede dipoler - er "stigerne". Dens smarte spiralformede geometri betyder, at CASSIOPeiA kan modtage og transmittere solenergi 24 timer i døgnet uden bevægelige dele (figur 3).

Cash, som har til hensigt at drage fordel af CASSIOPeiA ved at licensere den relaterede intellektuelle ejendom, hævder mange andre fordele ved hans koncept. Hans foreslåede satellit kan bygges af hundredvis (og muligvis tusindvis) af mindre moduler forbundet med hinanden, hvor hvert modul fanger solenergi, konverterer den elektronisk til mikrobølger og sender dem derefter til Jorden. Skønheden ved denne tilgang er, at hvis et modul blev ramt af kosmiske stråler eller rumaffald, ville dets fiasko ikke slå hele systemet ud.

En anden fordel ved CASSIOPeiA er, at de ikke-fotovoltaiske komponenter er permanent i skygge, hvilket minimerer varmeafgivelsen - noget der er et problem i rummets konvektionsfrie vakuum. Endelig, da satellitten altid er orienteret mod Solen, kan den optage flere typer kredsløb, inklusive dem, der er meget elliptiske. Det ville så til tider være tættere på Jorden, end hvis det var geostationært, hvilket gør det billigere, da du ikke behøver at skalere designet på basis af sådan en enorm sender.

Måske ikke overraskende er Cashs konkurrenter ikke enige i hans vurdering. Mankins, som nu er baseret på Artemis Innovation Management Solutions i Californien, USA, bestrider, at de leddelte heliostater i hans SPS-Alpha-koncept er et problem. I stedet hævder han, at de er "en simpel forlængelse af [en] meget moden teknologi", der allerede bruges til at koncentrere sollys til at opvarme væsker og drive turbiner i "soltårne" her på jorden. Han mener også, at de dobbelte spejle, som CASSIOPeiA kræver, kan være et problem, da de skal bygges meget præcist.

“Jeg har stor respekt for Ian og hans arbejde; hans nyere CASSIOPeiA-koncept er et af flere, der er meget ens i karakter, inklusive SPS-Alpha,” siger Mankins. "Jeg er dog ikke enig i hans forventning om, at CASSIOPeiA vil vise sig at være SPS-Alpha overlegen." For Mankins vil den bedste tilgang til rumbaseret solenergi i sidste ende afhænge af resultaterne af udviklingsprojekter, hvor den faktiske pris pr. kilowatt-time elektricitet her på Jorden er den afgørende faktor.

Skalerbar og slående

Interessen for rumsolenergi har fået et ekstra løft i kølvandet på Den britiske regerings 2021-rapport ind i teknologien, som næppe kunne have været mere positiv over for konceptet. Det blev udarbejdet af ingeniører hos det britiske konsulentfirma Frazer-Nash, der korresponderede med en række rumingeniør- og energieksperter – herunder opfinderne af SPS Alpha, MR-SPS og CASSIOPeiA.

Rapporten konkluderede, at en 1.7 km bred CASSIOPeiA-satellit i geostationær bane transmitterer solstråling til 100 km.² række mikrobølgemodtagere (eller "rectenna") placeret her på Jorden ville generere 2 GW kontinuerlig strøm. Det svarer til outputtet fra et stort konventionelt kraftværk. Det er også langt bedre end f.eks. det eksisterende London Array vindmøllepark i Themsens udmunding, som er omkring 25 % større, men genererer en gennemsnitlig effekt på knap 190 MW.

Mere slående var dog rapportens økonomiske analyse. Baseret på et skøn om, at et system i fuld størrelse ville koste 16.3 mia. GBP at udvikle og lancere, og som giver mulighed for et minimumsinvesteringsafkast på 20 % år-til-år, konkluderede den, at et rumbaseret solenergisystem kunne over sin cirka 100-årige levetid generere energi til £50 pr. MWh.

Frazer-Nash siger, at det er 14-52 % dyrere end den nuværende jordbaserede vind- og solenergi. Men kritisk er det 39-49 % billigere end biomasse, nuklear eller de mest effektive gasenergikilder, som er de eneste, der i øjeblikket er i stand til at tilbyde uafbrudt "base load" strøm. Rapportens forfattere sagde også, at deres konservative estimat for omkostninger "vil forventes at falde, efterhånden som udviklingen skrider frem".

"Det er utroligt skalerbart," siger Martin Soltau fra Frazer-Nash, en af ​​forfatterne. Og da niveauet af sollys i rummet omkring Jorden er langt lysere end nede under, regner han med, at hvert solcellemodul ville indsamle 10 gange så meget, som det ville, hvis det blev installeret på jorden. Rapporten regner med, at Storbritannien ville have brug for i alt 15 satellitter - hver med sin egen rectenna - for at levere en fjerdedel af landets energibehov i 2050. Hver rectenna kunne være placeret ved siden af ​​eller endda inden for en eksisterende vindmøllepark.

Hvis ordningen blev opskaleret yderligere, kunne den i princippet levere over 150 % af al den globale efterspørgsel efter elektricitet (selvom en robust energiforsyning normalt ville diktere en bred blanding af kilder). Rumbaseret solenergi, tilføjer Soltau, vil også have en meget lavere indvirkning på miljøet end jordbaserede vedvarende energikilder. Kulstofaftrykket ville være lille, der ville være få krav til sjældne jordarters mineraler, og der ville i modsætning til vindmøller ikke være støj eller høje synlige strukturer.

Hvis det hele lyder for godt til at være sandt, kan det godt være det. Frazer-Nash-rapporten indrømmer flere "udviklingsproblemer", især ved at finde måder at gøre trådløs energioverførsel mere effektiv. Chris Rodenbeck, en elektroingeniør fra US Naval Research Laboratory i Washington DC, siger, at storstilede demonstrationer af teknologien er svære at opnå. De kræver vedvarende investeringer og målrettede fremskridt inden for elektroniske komponenter, såsom højeffekt ensretterdioder, som ikke er let tilgængelige.

Heldigvis har den trådløse energioverførsel været fremme i årtier. I 2021 sendte Rodenbecks team 1.6 kW elektrisk effekt over en afstand på 1 km med en mikrobølge-til-elektricitet konverteringseffektivitet på 73 %. Umiddelbart er det mindre imponerende end den hidtil mest kraftfulde demonstration af trådløs energi, som fandt sted i 1975, da personale kl. NASAs Goldstone-laboratorium i Californien konverterede 10 GHz mikrobølger til elektricitet med en effektivitet på over 80 %. Det er dog afgørende, at Rodenbeck brugte lavere frekvens 2.4 GHz mikrobølger, som ville lide meget mindre atmosfærisk tab i rummet.

For at modvirke den højere diffraktion (strålespredning), der naturligt forekommer ved lavere frekvenser, udnyttede forskerne det omgivende terræn til at "studse" mikrobølgerne mod modtagerarrayet og derved forbedre effekttætheden med 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). "Vi lavede [testen] ret hurtigt og billigt under den globale pandemi," siger Rodenbeck. "Vi kunne have opnået mere."

Indledende byggeri vil kræve en 24/7 fabrik i rummet, med et samlebånd som en bilfabrik på Jorden.

Yang Gao, University of Surrey

Rodenbeck er optimistisk med hensyn til udsigterne for rumbaseret solenergi. Hvor nuklear fusion, hævder han, "løber op mod grundlæggende fysiske problemer", er rumbaseret solenergi - og trådløs kraftoverførsel - blot "løber op mod dollars". "[Det er] den eneste form for grøn, vedvarende energi med potentiale til at levere kontinuerlig, grundlæggende elektrisk strøm," hævder Rodenbeck. "Med undtagelse af et teknisk gennembrud [i] kontrolleret atomfusion, virker det meget sandsynligt, at menneskeheden vil udnytte rummets solenergi til fremtidige energibehov."

En bemærkning om forsigtighed kommer dog fra Yang Gao, en rumingeniør ved University of Surrey i Storbritannien, som indrømmer, at "den store skala" af det foreslåede rumsystem "er ret uhyggelig". Hun mener, at den indledende konstruktion meget vel kan kræve "en 24/7 fabrik i rummet, med et samlebånd som en bilfabrik på Jorden", sandsynligvis ved hjælp af autonome robotter. Hvad angår vedligeholdelse af anlægget, når først det er bygget, siger Gao, at det ville være "krævende".

For Cash er det afgørende den bane, som en rumkraftsatellit ville besætte. En geostationær solenergi-satellit ville være så langt fra Jorden, at det ville kræve enorme og dyre sendere og rektenner at transmittere energi effektivt. Men ved at drage fordel af flere satellitter på kortere, stærkt elliptiske baner, siger Cash, kunne investorer realisere mindre arbejdssystemer på CASSIOPeiA-konceptet med en brøkdel af kapitalen. SPS Alpha og MR-SPS skulle derimod være i fuld størrelse fra dag ét.

Er der vilje nok?

Og alligevel er den største udfordring for rumbaseret solenergi måske ikke økonomisk eller teknisk, men politisk. I en verden, hvor et betydeligt antal mennesker tror på konspirationsteorier omkring 5G-mobilteknologi, kan det være svært at udsende gigawatts mikrobølgeeffekt fra rummet til Jorden – på trods af at den maksimale stråleintensitet er knap 250 W/m.², mindre end en fjerdedel af den maksimale solintensitet ved ækvator.

Faktisk indrømmer den britiske rapport, at dens tilhængere er nødt til at teste den offentlige appetit og "kuratere en samtale" omkring nøgleideerne. Men der er også reelle tekniske og samfundsmæssige hensyn. Hvor skal rektennerne placeres? Hvordan vil satellitterne blive dekommissioneret, når de er færdige, uden at de øger rumskrot? Vil der være plads i mikrobølgespektret til noget andet? Og vil systemet være sårbart over for angreb?

I kølvandet på sin rapport Den britiske regering afslørede en fond på 3 millioner pund at hjælpe industrier med at udvikle nogle af nøgleteknologierne, hvor tidligere erhvervssekretær Kwasi Kwarteng sagde, at rumbaseret solenergi "kunne give en overkommelig, ren og pålidelig energikilde for hele verden". Den pot med kontanter vil næppe gå langt i retning af en virksomhed af denne skala, hvorfor Soltau har været med til at etablere en virksomhed kaldet Space Solar, som håber at rejse en indledende £200m fra private investorer.

I mellemtiden, hvad han kalder et "samarbejde mellem de villige", den Space Energy Initiative, har samlet videnskabsmænd, ingeniører og embedsmænd fra over 50 akademiske institutioner, virksomheder og offentlige organer, som arbejder Gratis at hjælpe med at bringe et fungerende system til virkelighed. SpaceX er endnu ikke på listen, men Soltau hævder at have fanget det amerikanske selskabs opmærksomhed. "De er meget interesserede," siger han.

Kontanter tvivler ikke på, at der vil blive fundet investeringer. Jordbaserede vedvarende energikilder kan ikke levere uafbrudt, base-load strøm uden enormt dyr batteriinfrastruktur, mens nuklear altid møder hård modstand. Rumbaseret solenergi, mener Cash, er en vital del af blandingen, hvis vi skal nå netto-nul, og blot at bede folk om at bruge mindre energi er en "farlig idé". De fleste krige er blevet udkæmpet på grund af en opfattet mangel på ressourcer,” siger han. "Hvis vi ikke ser på, hvordan vi kan holde civilisationen fremad, er alternativet meget skræmmende."