Tenaga surya berbasis luar angkasa: dapatkah pancaran sinar matahari kembali ke Bumi memenuhi kebutuhan energi kita?

Fisikawan teoretis Freeman Dyson pernah membayangkan peradaban alien yang begitu maju sehingga mengelilingi bintang induknya dengan cangkang buatan raksasa. Permukaan bagian dalam ini “Bola Dyson” akan menangkap radiasi matahari dan mentransfernya ke titik pengumpulan, di mana ia akan diubah menjadi energi yang dapat digunakan. Gagasan seperti itu tetap fiksi ilmiah, tetapi dapatkah prinsip serupa digunakan pada skala yang jauh lebih kecil untuk memanfaatkan kekuatan Matahari kita sendiri?

Lagi pula, di balik awan, dalam kobaran api tanpa malam di ruang dekat Bumi, ada lebih banyak tenaga surya yang tidak terputus daripada yang secara realistis dibutuhkan umat manusia selama berabad-abad yang akan datang. Itulah mengapa sekelompok ilmuwan dan insinyur, selama lebih dari 50 tahun, telah memimpikan teknik untuk menangkap energi ini di luar angkasa dan memancarkannya kembali ke bumi.

“Tenaga surya berbasis ruang angkasa”, seperti yang diketahui, memiliki dua manfaat besar dibandingkan metode tradisional untuk memanfaatkan Matahari dan angin. Pertama, menempatkan satelit penangkap sinar matahari di luar angkasa berarti kita tidak perlu menutupi sebagian besar tanah di Bumi dengan panel surya dan ladang angin. Kedua, kita akan memiliki pasokan energi yang cukup meskipun kondisi cuaca lokal mendung atau angin mereda.

Dan itulah masalah dengan energi matahari dan tenaga angin di Bumi ini: mereka tidak pernah dapat memenuhi kebutuhan energi kita secara konsisten, bahkan jika diperluas secara besar-besaran. Para peneliti di Universitas Nottingham tahun lalu memperkirakan bahwa, jika Inggris benar-benar bergantung pada sumber-sumber terbarukan ini, negara tersebut perlu menyimpan lebih dari 65 terawatt-jam energi. Itu akan menelan biaya lebih dari £ 170 miliar, lebih dari dua kali lipat dari jaringan kereta api berkecepatan tinggi yang akan datang di negara itu (Energi 14 8524).

Sayangnya, sebagian besar upaya untuk mewujudkan tenaga surya berbasis ruang angkasa menemui masalah teknis dan ekonomi yang tampaknya sulit diselesaikan. Tapi waktu sedang berubah. Desain satelit yang inovatif, serta biaya peluncuran yang jauh lebih rendah, tiba-tiba membuat tenaga surya berbasis ruang angkasa tampak seperti solusi yang realistis. Jepang telah menuliskannya menjadi undang-undang sebagai tujuan nasional, sedangkan Badan Antariksa Eropa telah mengeluarkan panggilan untuk ide-ide. Tiongkok dan Amerika Serikat keduanya membangun fasilitas pengujian.

Sementara itu, konsultasi yang diterbitkan oleh pemerintah Inggris pada tahun 2021 menyimpulkan bahwa tenaga surya berbasis ruang angkasa layak secara teknis dan ekonomis. Yang menggiurkan, diperkirakan bahwa solusi teknologi ini dapat dipraktikkan 10 tahun sebelum target "nol bersih" tahun 2050 dari Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim. Jadi apakah tenaga surya berbasis ruang angkasa adalah jawaban atas kesengsaraan iklim kita? Dan jika demikian, apa yang mencegahnya menjadi kenyataan?

Mimpi luar angkasa

Konsep asli tenaga surya dari luar angkasa diimpikan pada tahun 1968 oleh Peter Glaser, seorang insinyur AS di konsultan Arthur D Little. Dia membayangkan menempatkan satelit berbentuk cakram besar di orbit geostasioner sekitar 36,000 km di atas Bumi. (Ilmu 162 857). Satelit, berdiameter kira-kira 6 km, akan terbuat dari panel fotovoltaik untuk mengumpulkan sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Energi ini kemudian akan diubah menjadi gelombang mikro menggunakan penguat tabung dan dipancarkan ke Bumi melalui pemancar berdiameter 2 km.

Ini satu-satunya bentuk energi hijau terbarukan dengan potensi untuk menyediakan daya listrik dasar yang berkelanjutan.

Chris Rodenbeck, Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS

Keindahan gelombang mikro adalah mereka tidak diserap oleh awan di Bumi dan sebagian besar akan melewati (walaupun tidak sepenuhnya) tanpa hambatan melalui atmosfer kita. Glaser membayangkan mereka dikumpulkan oleh antena tetap berdiameter 3 km, di mana mereka akan diubah menjadi listrik untuk jaringan. “Meskipun penggunaan satelit untuk konversi energi surya mungkin akan berlangsung beberapa dekade lagi,” tulisnya, “adalah mungkin untuk mengeksplorasi beberapa aspek teknologi yang dibutuhkan sebagai panduan untuk pengembangan di masa depan.”

Reaksi awal positif setidaknya di beberapa tempat, dengan NASA memberikan kontrak kepada perusahaan Glaser, Arthur D Little, untuk studi lebih lanjut. Namun, selama bertahun-tahun, kesimpulan dari studi selanjutnya tentang tenaga surya berbasis ruang angkasa telah berkisar dari positif secara hati-hati hingga negatif secara lahiriah.

Pada 2015, misalnya, teknologi menerima vonis yang tidak lebih dari suam-suam kuku dalam sebuah laporan dari Strategic Studies Institute (SSI) dari US Army War College, yang mengutip "tidak ada bukti kuat" bahwa tenaga surya ruang angkasa dapat bersaing secara ekonomi dengan pembangkit listrik terestrial. SSI secara khusus mengkritik "asumsi yang dipertanyakan" yang dibuat oleh para pendukungnya tentang membawa struktur besar yang mengorbit ke luar angkasa. Sederhananya, laporan tersebut menyatakan bahwa kendaraan peluncuran tidak cukup, dan kendaraan yang tersedia terlalu mahal.

Tapi putusan SSI yang kurang bersinar datang sebelum perusahaan swasta – khususnya SpaceX – mulai mengubah industri luar angkasa. Dengan menggabungkan sistem roket yang dapat digunakan kembali dengan sikap coba-coba untuk penelitian dan pengembangan, perusahaan AS, selama dekade terakhir, memangkas biaya peluncuran ke orbit dekat Bumi lebih dari faktor 10 (per kilo muatan). ), dengan rencana untuk menguranginya lebih jauh. Apa yang dianggap SSI sebagai batasan utama tentang biaya peluncuran, pada kenyataannya, tidak lagi menjadi masalah.

Bukan berarti biaya untuk membawa satelit ke luar angkasa menjadi satu-satunya masalah. Konsep asli Glaser tampak sederhana, dengan banyak tantangan tersembunyi. Sebagai permulaan, saat satelit mengorbit Bumi, sudut antara Matahari, pesawat, dan titik di Bumi yang menjadi tujuan pengiriman energi terus berubah. Misalnya, jika satelit geostasioner dilatih di Bumi, fotovoltaiknya akan menghadap Matahari pada siang hari tetapi membelakangi Matahari pada tengah malam. Dengan kata lain, satelit tidak akan menghasilkan listrik sepanjang waktu.

Solusi asli untuk masalah ini adalah terus memutar panel fotovoltaik relatif terhadap pemancar gelombang mikro, yang akan tetap terpasang. Panel fotovoltaik akan selalu mengarah ke Matahari, sedangkan pemancar akan selalu menghadap ke Bumi. Pertama kali diajukan pada tahun 1979 oleh NASA sebagai pengembangan dari ide Glaser, solusinya diperpanjang lebih lanjut dalam proposal tahun 2015 oleh para insinyur di China Academy of Space Technology di Beijing, yang menjulukinya Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, atau MR-SPS (gambar 1).

Sementara itu, John Mankins, mantan insinyur NASA, menemukan solusi saingan pada tahun 2012. Dijuluki SPS Alfa, idenya adalah untuk menjaga panel surya dan pemancar tetap, tetapi memasang banyak cermin di sekeliling panel (gambar 2). Dikenal sebagai heliostat, cermin ini akan dapat berputar, terus menerus mengarahkan sinar matahari ke panel surya dan dengan demikian memungkinkan satelit untuk memasok listrik ke Bumi tanpa putus.

Baik MR-SPS maupun SPS Alpha, menurut Kas Ian, direktur dan chief engineer di Perusahaan Listrik Internasional Terbatas di Oxfordshire, Inggris. Mantan perancang sistem elektronik di sektor otomotif, kedirgantaraan, dan energi, Cash mengalihkan pikirannya satu dekade yang lalu ke pengembangan swasta untuk sumber energi bersih berskala besar. Awalnya terpikat oleh potensi fusi nuklir, dia ditunda oleh masalah-masalahnya yang “sangat sulit” dan dengan cepat beralih ke tenaga surya berbasis ruang angkasa sebagai pilihan paling praktis.

Untuk Cash, masalah dengan MR-SPS dan SPS Alpha adalah mereka harus memutar beberapa bagian satelit relatif terhadap yang lain. Oleh karena itu, setiap bagian harus terhubung secara fisik dengan yang lain dan membutuhkan sambungan artikulasi yang bergerak. Masalahnya, ketika digunakan pada satelit seperti Stasiun Luar Angkasa Internasional, sambungan semacam itu bisa gagal karena aus. Menghilangkan sambungan artikulasi akan membuat satelit tenaga surya lebih andal, demikian kesimpulan Cash. “Saya ingin mengetahui apa yang diperlukan untuk memiliki solusi keadaan padat yang selalu melihat Matahari dan Bumi,” katanya.

Pada 2017 Cash telah menemukan jawabannya, atau begitulah klaimnya. Miliknya konsep CASSIOPeiA adalah satelit yang pada dasarnya terlihat seperti tangga spiral, dengan panel fotovoltaik sebagai "tapak" dan pemancar gelombang mikro - dipol berbentuk batang - sebagai "naik". Geometri heliksnya yang cerdas membuat CASSIOPeiA dapat menerima dan mengirimkan energi matahari 24 jam sehari, tanpa bagian yang bergerak (gambar 3).

Cash, yang berniat mendapat untung dari CASSIOPeiA dengan melisensikan kekayaan intelektual terkait, mengklaim banyak manfaat lain dari konsepnya. Satelit yang diusulkannya dapat dibangun dari ratusan (dan mungkin ribuan) modul yang lebih kecil yang dihubungkan bersama, dengan setiap modul menangkap energi matahari, mengubahnya secara elektronik menjadi gelombang mikro dan kemudian mengirimkannya ke Bumi. Keindahan dari pendekatan ini adalah jika salah satu modul terkena sinar kosmik atau puing-puing ruang angkasa, kegagalannya tidak akan melumpuhkan seluruh sistem.

Keuntungan lain dari CASSIOPeiA adalah bahwa komponen non-fotovoltaik berada dalam bayangan secara permanen, yang meminimalkan pembuangan panas – sesuatu yang menjadi masalah dalam ruang hampa udara tanpa konveksi. Terakhir, karena satelit selalu berorientasi ke Matahari, ia dapat menempati lebih banyak jenis orbit, termasuk orbit yang sangat elips. Maka akan, kadang-kadang, lebih dekat ke Bumi daripada jika geostasioner, yang membuatnya lebih murah karena Anda tidak perlu menskalakan desain berdasarkan pemancar sebesar itu.

Mungkin tidak mengherankan jika para pesaing Cash tidak setuju dengan penilaiannya. Mankins, yang sekarang berbasis di Solusi Manajemen Inovasi Artemis di California, AS, membantah bahwa artikulasi heliostat dalam konsep SPS-Alpha-nya merupakan masalah. Sebaliknya, dia mengklaim mereka adalah "perpanjangan sederhana dari [a] teknologi yang sangat matang" yang sudah digunakan untuk memusatkan sinar matahari untuk memanaskan cairan dan menggerakkan turbin di “menara surya” di sini di Bumi. Dia juga percaya bahwa cermin ganda yang diperlukan oleh CASSIOPeiA dapat menjadi masalah karena harus dibuat dengan sangat presisi.

“Saya sangat menghargai Ian dan pekerjaannya; Konsep CASSIOPeiA terbarunya adalah salah satu dari beberapa karakter yang sangat mirip, termasuk SPS-Alpha,” kata Mankins. “Namun, saya tidak setuju dengan harapannya bahwa CASSIOPeiA akan terbukti lebih unggul dari SPS-Alpha.” Bagi Mankins, pendekatan terbaik untuk tenaga surya berbasis ruang angkasa pada akhirnya akan bergantung pada hasil proyek pengembangan, dengan biaya sebenarnya per kilowatt-jam listrik di Bumi menjadi faktor krusial.

Skalabel dan mencolok

Ketertarikan pada tenaga surya luar angkasa telah menerima dorongan tambahan setelah Laporan pemerintah Inggris tahun 2021 ke dalam teknologi, yang hampir tidak bisa lebih positif tentang konsep tersebut. Itu dibuat oleh para insinyur di konsultan yang berbasis di Inggris Frazer-Nash, yang berkorespondensi dengan sejumlah pakar teknik ruang dan energi – termasuk penemu SPS Alpha, MR-SPS, dan CASSIOPeiA.

Laporan tersebut menyimpulkan bahwa satelit CASSIOPeiA selebar 1.7 km di orbit geostasioner mentransmisikan radiasi matahari hingga 100 km² susunan penerima gelombang mikro (atau "rectenna") yang terletak di Bumi ini akan menghasilkan daya berkelanjutan sebesar 2 GW. Itu setara dengan output dari pembangkit listrik konvensional yang besar. Ini juga jauh lebih baik daripada, katakanlah, yang sudah ada Ladang angin London Array di muara Thames, yang sekitar 25% lebih besar tetapi menghasilkan daya rata-rata hampir 190 MW.

Namun, yang lebih mencolok adalah analisis ekonomi laporan tersebut. Berdasarkan perkiraan bahwa sistem berukuran penuh akan menelan biaya £16.3 miliar untuk dikembangkan dan diluncurkan, dan memungkinkan tingkat pengembalian investasi minimum 20% tahun-ke-tahun, disimpulkan bahwa sistem tenaga surya berbasis ruang angkasa dapat, selama kira-kira 100 tahun masa pakainya, menghasilkan energi sebesar £50 per MWh.

Frazer-Nash mengatakan itu 14–52% lebih mahal daripada angin terestrial dan energi matahari saat ini. Namun, yang terpenting, ini 39–49% lebih murah daripada biomassa, nuklir, atau sumber energi gas paling efisien, yang merupakan satu-satunya yang saat ini mampu menawarkan daya "beban dasar" tanpa gangguan. Penulis laporan tersebut juga mengatakan bahwa perkiraan biaya konservatif mereka "diharapkan akan berkurang seiring berjalannya pembangunan".

“Ini sangat terukur,” kata Martin Soltau dari Frazer-Nash, salah satu penulis. Dan dengan tingkat sinar matahari di ruang sekitar Bumi yang jauh lebih terang daripada di bawahnya, dia memperhitungkan setiap modul surya akan mengumpulkan 10 kali lebih banyak daripada jika dipasang di tanah. Laporan tersebut memperhitungkan bahwa Inggris akan membutuhkan total 15 satelit – masing-masing dengan rectennanya sendiri – untuk menyediakan seperempat dari kebutuhan energi negara tersebut pada tahun 2050. Setiap rectenna dapat ditempatkan di samping atau bahkan di dalam ladang angin yang ada.

Jika skema ini ditingkatkan lebih lanjut, pada prinsipnya skema ini dapat menghasilkan lebih dari 150% dari seluruh permintaan listrik global (walaupun pasokan energi yang tangguh biasanya akan mendikte campuran sumber yang luas). Tenaga surya berbasis ruang angkasa, Soltau menambahkan, juga akan memiliki dampak yang jauh lebih rendah terhadap lingkungan daripada sumber energi terbarukan berbasis Bumi. Jejak karbon akan kecil, akan ada sedikit permintaan pada mineral tanah jarang, dan tidak seperti turbin angin, tidak akan ada kebisingan atau struktur tinggi yang terlihat.

Jika itu semua terdengar terlalu bagus untuk menjadi kenyataan, itu mungkin saja. Laporan Frazer-Nash mengakui beberapa “masalah pengembangan”, terutama menemukan cara untuk membuat transfer energi nirkabel lebih efisien. Chris Rodenbeck, seorang insinyur listrik dari US Naval Research Laboratory di Washington DC, mengatakan bahwa demonstrasi besar-besaran dari teknologi tersebut sulit dicapai. Mereka membutuhkan investasi berkelanjutan dan kemajuan yang ditargetkan dalam komponen elektronik, seperti dioda penyearah daya tinggi, yang tidak tersedia.

Untungnya, transmisi energi nirkabel telah maju selama beberapa dekade. Pada tahun 2021, tim Rodenbeck mengirimkan 1.6 kW daya listrik dengan jarak 1 km, dengan efisiensi konversi gelombang mikro ke listrik sebesar 73%. Sepintas lalu, itu kurang mengesankan daripada demonstrasi energi nirkabel paling kuat hingga saat ini, yang terjadi pada tahun 1975 ketika staf di Laboratorium Goldstone NASA di California mengubah gelombang mikro 10 GHz menjadi listrik dengan efisiensi di atas 80%. Namun, yang terpenting, Rodenbeck menggunakan gelombang mikro 2.4 GHz frekuensi rendah, yang akan lebih sedikit kehilangan atmosfer di luar angkasa.

Untuk menangkal difraksi yang lebih tinggi (penyebaran pancaran) yang secara alami terjadi pada frekuensi yang lebih rendah, para peneliti mengeksploitasi medan di sekitarnya untuk "memantulkan" gelombang mikro ke susunan penerima, sehingga meningkatkan kerapatan daya sebesar 70% (IEEE J.Microw. 2 28). “Kami melakukan [pengujian] dengan cukup cepat dan murah selama pandemi global,” kata Rodenbeck. “Kami bisa mencapai lebih banyak.”

Konstruksi awal akan membutuhkan pabrik 24/7 di luar angkasa, dengan jalur perakitan seperti pabrik mobil di Bumi.

Yang Gao, Universitas Surrey

Rodenbeck optimis tentang prospek tenaga surya berbasis ruang angkasa. Sementara fusi nuklir, menurutnya, “menghadapi masalah dasar fisika”, tenaga surya berbasis ruang angkasa – dan transfer daya nirkabel – hanya “menghabiskan uang”. “[Ini] satu-satunya bentuk energi hijau terbarukan dengan potensi untuk menyediakan daya listrik dasar yang berkelanjutan,” klaim Rodenbeck. “Kecuali terobosan teknis [dalam] fusi nuklir terkontrol, tampaknya sangat mungkin umat manusia akan memanfaatkan tenaga surya luar angkasa untuk kebutuhan energi di masa depan.”

Namun, catatan kehati-hatian datang dari Yang Gao, seorang insinyur luar angkasa di University of Surrey di Inggris, yang mengakui bahwa “skala tipis” dari sistem luar angkasa yang diusulkan “cukup mencengangkan”. Dia percaya konstruksi awal mungkin membutuhkan "pabrik 24/7 di luar angkasa, dengan jalur perakitan seperti pabrik mobil di Bumi", mungkin menggunakan robot otonom. Untuk memelihara fasilitas, setelah dibangun, Gao mengatakan itu akan “menuntut”.

Bagi Cash, yang terpenting adalah orbit yang akan ditempati satelit berkekuatan luar angkasa. Satelit tenaga surya geostasioner akan sangat jauh dari Bumi sehingga membutuhkan pemancar dan rectenna yang besar dan mahal untuk mengirimkan energi secara efisien. Tetapi dengan memanfaatkan banyak satelit pada orbit yang lebih pendek dan sangat elips, kata Cash, investor dapat mewujudkan sistem kerja yang lebih kecil pada konsep CASSIOPeiA dengan sebagian kecil dari modal. Sebaliknya, SPS Alpha dan MR-SPS harus berukuran penuh sejak hari pertama.

Apakah ada cukup akan?

Namun tantangan terbesar untuk tenaga surya berbasis ruang angkasa mungkin bukan ekonomi atau teknis, tetapi politik. Di dunia di mana sejumlah besar orang percaya pada teori konspirasi seputar teknologi seluler 5G, pancaran gigawatt daya gelombang mikro dari luar angkasa ke Bumi dapat membuktikan penjualan yang sulit – meskipun intensitas pancaran maksimum hampir 250 W/m², kurang dari seperempat intensitas matahari maksimum di khatulistiwa.

Nyatanya, laporan Inggris tersebut mengakui bahwa para pendukungnya perlu menguji selera publik, dan untuk “menyusun percakapan” seputar ide-ide kunci. Tetapi ada juga pertimbangan teknis dan sosial yang nyata. Di mana letak rectenna? Bagaimana satelit akan dinonaktifkan pada akhir masa pakainya tanpa menambah sampah luar angkasa? Akankah ada ruang dalam spektrum gelombang mikro yang tersisa untuk hal lain? Dan apakah sistem akan rentan terhadap serangan?

Menyusul laporannya, the Pemerintah Inggris meluncurkan dana £3 juta untuk membantu industri mengembangkan beberapa teknologi utama, dengan mantan sekretaris bisnis Kwasi Kwarteng mengatakan bahwa tenaga surya berbasis luar angkasa “dapat menyediakan sumber energi yang terjangkau, bersih, dan andal untuk seluruh dunia”. Panci uang itu tidak mungkin digunakan untuk usaha skala ini, itulah sebabnya Soltau membantu mendirikan bisnis bernama Surya luar angkasa, yang berharap dapat mengumpulkan £ 200 juta awal dari investor swasta.

Sementara itu, apa yang disebutnya sebagai “kolaborasi kemauan”, yaitu Inisiatif Energi Luar Angkasa, telah mengumpulkan ilmuwan, insinyur, dan pegawai negeri dari lebih dari 50 institusi akademik, perusahaan, dan badan pemerintah, yang bekerja pro bono untuk membantu mewujudkan sistem kerja. SpaceX belum masuk dalam daftar, tetapi Soltau mengklaim telah menarik perhatian perusahaan AS tersebut. "Mereka sangat tertarik," katanya.

Uang tunai tidak meragukan bahwa investasi akan ditemukan. Energi terbarukan terestrial tidak dapat memberikan daya beban dasar tanpa gangguan tanpa infrastruktur baterai yang sangat mahal, sementara nuklir selalu menghadapi tentangan keras. Tenaga surya berbasis ruang angkasa, menurut Cash, adalah bagian penting dari campuran jika kita ingin mencapai net-zero, dan hanya meminta orang untuk menggunakan lebih sedikit energi adalah "ide yang berbahaya". Sebagian besar perang telah diperjuangkan karena dianggap kekurangan sumber daya, ”katanya. “Jika kita tidak melihat bagaimana menjaga peradaban tetap maju, alternatifnya sangat menakutkan.”