Op de ruimte gebaseerde zonne-energie: kan zonlicht terugstralen naar de aarde voorzien in onze energiebehoefte?

De theoretisch natuurkundige Freeman Dyson stelde zich ooit een buitenaardse beschaving voor die zo geavanceerd was dat deze zijn moederster had omringd met een gigantische, kunstmatige schil. Het binnenoppervlak hiervan “Dyson-bol” zou zonnestraling opvangen en naar verzamelpunten transporteren, waar het zou worden omgezet in bruikbare energie. Een dergelijk idee blijft sciencefiction, maar zou een soortgelijk principe op veel kleinere schaal kunnen worden gebruikt om de kracht van onze eigen zon te benutten?

Achter de wolken, in de nachtloze gloed van de ruimte nabij de aarde, is er immers meer ononderbroken zonne-energie dan de mensheid realistisch gezien de komende eeuwen nodig zou kunnen hebben. Dat is de reden waarom een ​​groep wetenschappers en ingenieurs al meer dan vijftig jaar technieken bedenkt om deze energie in de ruimte op te vangen en terug naar de aarde te stralen.

‘Op de ruimte gebaseerde zonne-energie’, zoals het bekend staat, heeft twee enorme voordelen ten opzichte van traditionele methoden om gebruik te maken van de zon en de wind. Ten eerste betekent het plaatsen van een satelliet die zonlicht opvangt in de ruimte dat we geen grote stukken land op aarde hoeven te bedekken met zonnepanelen en windparken. Ten tweede zouden we over voldoende energie beschikken, zelfs als het, ondanks de plaatselijke weersomstandigheden, bewolkt is of de wind is gaan liggen.

En dat is het probleem met zonne-energie en windenergie hier op aarde: ze kunnen nooit op een consistente basis aan onze energiebehoefte voldoen, zelfs als ze enorm worden uitgebreid. Onderzoekers van de Universiteit van Nottingham schatten vorig jaar dat, als Groot-Brittannië volledig afhankelijk zou zijn van deze hernieuwbare bronnen, het land meer dan 65 terawattuur aan energie zou moeten opslaan. Dat zou ruim £170 miljard kosten, meer dan twee keer zoveel als het toekomstige hogesnelheidsspoornetwerk van het land (Energies 14 8524).

De meeste pogingen om zonne-energie uit de ruimte te realiseren zijn helaas op ogenschijnlijk hardnekkige technische en economische problemen gestuit. Maar de tijden veranderen. Innovatieve satellietontwerpen en veel lagere lanceringskosten zorgen ervoor dat zonne-energie in de ruimte plotseling een realistische oplossing lijkt. Japan heeft het als nationaal doel in de wet vastgelegd, terwijl de European Space Agency heeft een oproep voor ideeën gelanceerd. China en de VS. zijn beide bezig met het bouwen van testfaciliteiten.

Ondertussen een raadpleging gepubliceerd door de Britse regering in 2021 concludeerde dat zonne-energie in de ruimte technisch en economisch haalbaar is. Verleidelijk genoeg ging het ervan uit dat deze technologische oplossing tien jaar vóór de ‘netto nul’-doelstelling van het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering in 10 in de praktijk zou kunnen worden gebracht. Is zonne-energie in de ruimte dus het antwoord op de problemen van ons klimaat? En zo ja, wat verhindert dat dit werkelijkheid wordt?

Ruimte dromen

Het oorspronkelijke concept van zonne-energie vanuit de ruimte werd in 1968 bedacht door Peter Glaser, een Amerikaanse ingenieur bij het adviesbureau Arthur D Little. Hij overwoog een enorme schijfvormige satelliet in een geostationaire baan te plaatsen, zo'n 36,000 km boven de aarde. (Wetenschap 162 857). De satelliet, met een diameter van ongeveer 6 km, zou gemaakt zijn van fotovoltaïsche panelen om zonlicht op te vangen en om te zetten in elektrische energie. Deze energie zou vervolgens met behulp van een buizenversterker in microgolven worden omgezet en via een zender met een diameter van 2 km naar de aarde worden gestuurd.

Het is de enige vorm van groene, hernieuwbare energie met het potentieel om continue basisstroom te leveren.

Chris Rodenbeck, Amerikaans marineonderzoekslaboratorium

Het mooie van microgolven is dat ze hier op aarde niet door de wolken worden geabsorbeerd en dus grotendeels (hoewel niet geheel) ongehinderd door onze atmosfeer kunnen passeren. Glaser stelde zich voor dat ze zouden worden verzameld door een vaste antenne met een diameter van 3 km, waar ze zouden worden omgezet in elektriciteit voor het elektriciteitsnet. ‘Hoewel het gebruik van satellieten voor de omzetting van zonne-energie nog tientallen jaren op zich laat wachten,’ schreef hij, ‘is het mogelijk om verschillende aspecten van de vereiste technologie te onderzoeken als leidraad voor toekomstige ontwikkelingen.’

De eerste reactie was in ieder geval in sommige kringen positief, waarbij NASA het bedrijf van Glaser, Arthur D Little, een contract voor verder onderzoek gunde. In de loop der jaren varieerden de conclusies van latere onderzoeken naar zonne-energie in de ruimte echter van voorzichtig positief tot uiterlijk negatief.

In 2015 kreeg de technologie bijvoorbeeld niet meer dan een lauw oordeel in een rapport van het Strategic Studies Institute (SSI) van het US Army War College, waarin “geen overtuigend bewijs” werd aangehaald dat zonne-energie in de ruimte economisch concurrerend zou kunnen zijn met de opwekking van energie op aarde. De SSI bekritiseerde vooral de ‘twijfelachtige aannames’ van haar voorstanders over het in de ruimte krijgen van zo’n enorme baanvormige structuur. Simpel gezegd stelde het rapport dat er niet genoeg draagraketten zijn en dat de beschikbare lanceervoertuigen te duur zijn.

Maar het niet zo lovende oordeel van de SSI kwam vooral bij particuliere bedrijven terecht SpaceX – begon de ruimtevaartindustrie te transformeren. Door herbruikbare raketsystemen te combineren met een proefondervindelijke houding ten aanzien van onderzoek en ontwikkeling heeft het Amerikaanse bedrijf de afgelopen tien jaar de kosten voor het lanceren in een baan nabij de aarde met meer dan een factor 10 verlaagd (per kilo nuttige lading). ), met plannen om dit nog verder terug te dringen. Wat de SSI als een belangrijke beperking van de lanceringskosten beschouwde, is in feite niet langer een probleem.

Niet dat de kosten om een ​​satelliet de ruimte in te krijgen het enige knelpunt zijn geweest. Het oorspronkelijke concept van Glaser was bedrieglijk eenvoudig, met veel verborgen uitdagingen. Om te beginnen verandert, terwijl een satelliet om de aarde draait, de hoek tussen de zon, het voertuig en het punt op aarde waar de energie naartoe wordt gestuurd voortdurend. Als een geostationaire satelliet bijvoorbeeld op aarde wordt getraind, zal de fotovoltaïsche zonne-energie om twaalf uur 's middags naar de zon gericht zijn, maar om middernacht met de rug naar de zon. Met andere woorden: de satelliet zou niet voortdurend elektriciteit opwekken.

De oorspronkelijke oplossing voor dit probleem was om de fotovoltaïsche panelen voortdurend te roteren ten opzichte van de microgolfzenders, die vast zouden blijven. De fotovoltaïsche panelen zouden dan altijd naar de zon wijzen, terwijl de zenders altijd naar de aarde zouden wijzen. De oplossing werd voor het eerst in 1979 door NASA naar voren gebracht als een ontwikkeling van de ideeën van Glaser en werd in 2015 verder uitgebreid in een voorstel van ingenieurs van de China Academy of Space Technology in Peking, die het Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite noemden, of MR-SPS (Figuur 1).

Ondertussen John Mankins, een voormalig NASA-ingenieur, vond in 2012 een rivaliserende oplossing uit. Nagesynchroniseerd SPS Alfawas zijn idee om de zonnepanelen en de zender vast te houden, maar rondom de panelen talloze spiegels te installeren (figuur 2). Deze spiegels staan ​​bekend als heliostaten en zouden kunnen roteren, waardoor het zonlicht continu naar de zonnepanelen wordt geleid, waardoor de satelliet zonder onderbreking stroom aan de aarde kan leveren.

Noch MR-SPS, noch SPS Alpha zijn echter bevredigend, aldus Ian Cash, directeur en hoofdingenieur bij Internationale Elektriciteitsmaatschappij Limited in Oxfordshire, Verenigd Koninkrijk. Als voormalig ontwerper van elektronische systemen in de automobiel-, ruimtevaart- en energiesector richtte Cash zich tien jaar geleden op de particuliere ontwikkeling van schone, grootschalige energiebronnen. Aanvankelijk gelokt door het potentieel van kernfusie, werd hij afgeschrikt door de ‘echt moeilijke’ problemen ervan en kwam hij al snel op zonne-energie uit de ruimte als de meest praktische optie.

Voor Cash is het probleem met zowel MR-SPS als SPS Alpha dat ze sommige delen van de satelliet moeten roteren ten opzichte van andere. Elk onderdeel zou daarom fysiek met elkaar verbonden moeten zijn en een scharnierend gewricht nodig hebben dat beweegt. Het probleem is dat dergelijke verbindingen bij gebruik op satellieten zoals het Internationale Ruimtestation kunnen falen als gevolg van slijtage. Het weglaten van gelede verbindingen zou een satelliet op zonne-energie betrouwbaarder maken, concludeerde Cash. “Ik wilde ontdekken wat er nodig zou zijn om een ​​solid-state oplossing te hebben die altijd de zon en de aarde ziet”, zegt hij.

In 2017 had Cash het door, zo beweert hij. Zijn CASSIOPeiA-concept is een satelliet die er in wezen uitziet als een wenteltrap, waarbij de fotovoltaïsche panelen de “treden” zijn en de microgolfzenders – staafvormige dipolen – de “stijgbuizen”. Dankzij de slimme spiraalvormige geometrie kan CASSIOPeiA 24 uur per dag zonne-energie ontvangen en verzenden, zonder bewegende delen (figuur 3).

Cash, die van CASSIOPeiA wil profiteren door het gerelateerde intellectuele eigendom in licentie te geven, claimt vele andere voordelen van zijn concept. Zijn voorgestelde satelliet kan worden gebouwd uit honderden (en mogelijk duizenden) kleinere modules die met elkaar zijn verbonden, waarbij elke module zonne-energie opvangt, deze elektronisch omzet in microgolven en deze vervolgens naar de aarde verzendt. Het mooie van deze aanpak is dat als een module zou worden getroffen door kosmische straling of ruimtepuin, het falen ervan niet het hele systeem zou uitschakelen.

Een ander voordeel van CASSIOPeiA is dat de niet-fotovoltaïsche componenten zich permanent in de schaduw bevinden, waardoor de warmteverspreiding wordt geminimaliseerd – iets dat een probleem is in het convectieloze vacuüm van de ruimte. Ten slotte kan de satelliet, omdat hij altijd op de zon gericht is, meerdere soorten banen innemen, inclusief die welke zeer elliptisch zijn. Het zou dan soms dichter bij de aarde zijn dan wanneer het geostationair zou zijn, wat het goedkoper maakt omdat je het ontwerp niet hoeft te schalen op basis van zo'n enorme zender.

Het is misschien niet verrassend dat de concurrenten van Cash het niet eens zijn met zijn beoordeling. Mankins, die nu is gevestigd in Artemis Innovatiemanagementoplossingen in Californië, VS, betwist dat de gelede heliostaten in zijn SPS-Alpha-concept een probleem vormen. In plaats daarvan beweert hij dat ze “een simpele uitbreiding zijn van een zeer volwassen technologie” die al wordt gebruikt om zonlicht te concentreren om vloeistoffen te verwarmen en turbines aan te drijven. “zonnetorens” hier op aarde. Hij is ook van mening dat de dubbele spiegels die CASSIOPeiA nodig heeft een probleem kunnen vormen, omdat ze zeer nauwkeurig moeten worden gebouwd.

“Ik heb veel waardering voor Ian en zijn werk; zijn recentere CASSIOPeiA-concept is een van de vele concepten die qua karakter sterk op elkaar lijken, waaronder SPS-Alpha”, zegt Mankins. “Ik ben het echter niet eens met zijn verwachting dat CASSIOPeiA superieur zal blijken te zijn aan SPS-Alpha.” Voor Mankins zal de beste benadering van in de ruimte gestationeerde zonne-energie uiteindelijk afhangen van de resultaten van ontwikkelingsprojecten, waarbij de werkelijke kosten per kilowattuur elektriciteit hier op aarde de cruciale factor zullen zijn.

Schaalbaar en opvallend

De belangstelling voor zonne-energie in de ruimte heeft een extra impuls gekregen in de nasleep van de Het rapport van de Britse regering uit 2021 in de technologie, die nauwelijks positiever over het concept had kunnen zijn. Het is opgesteld door ingenieurs van het Britse adviesbureau Frazer-Nash, die correspondeerde met een aantal deskundigen op het gebied van ruimtevaarttechniek en energie, waaronder de uitvinders van SPS Alpha, MR-SPS en CASSIOPeiA.

Het rapport concludeerde dat een 1.7 km brede CASSIOPeiA-satelliet in een geostationaire baan zonnestraling uitzendt naar een afstand van 100 km² Een reeks microgolfontvangers (of ‘rectenna’) die zich hier op aarde bevinden, zouden 2 GW aan continu vermogen genereren. Dat komt overeen met de opbrengst van een grote conventionele elektriciteitscentrale. Het is ook veel beter dan bijvoorbeeld het bestaande Windpark London Array in de monding van de Theems, die ongeveer 25% groter is maar een gemiddeld vermogen genereert van amper 190 MW.

Opvallender was echter de economische analyse van het rapport. Gebaseerd op een schatting dat een volledig systeem £16.3 miljard zou kosten om te ontwikkelen en te lanceren, en met een minimum investeringsrendement van 20% op jaarbasis, concludeerde het rapport dat een ruimtegebaseerd zonne-energiesysteem zou gedurende zijn levensduur van ongeveer 100 jaar energie kunnen opwekken voor £ 50 per MWh.

Frazer-Nash zegt dat dit 14 tot 52% duurder is dan de huidige wind- en zonne-energie op land. Maar cruciaal is dat het 39-49% goedkoper is dan biomassa, kernenergie of de meest efficiënte energiebronnen op gas, die momenteel de enige zijn die in staat zijn ononderbroken ‘basislast’-energie te leveren. De auteurs van het rapport zeiden ook dat hun conservatieve schatting van de kosten “naar verwachting zal afnemen naarmate de ontwikkeling vordert”.

“Het is ongelooflijk schaalbaar”, zegt Martin Soltau van Frazer-Nash, een van de auteurs. En omdat het zonlichtniveau in de ruimte rond de aarde veel helderder is dan daar beneden, schat hij dat elk zonnepaneel tien keer zoveel zou verzamelen als wanneer het op de grond zou worden geïnstalleerd. Het rapport gaat ervan uit dat Groot-Brittannië in totaal vijftien satellieten nodig heeft – elk met zijn eigen rectenna – om tegen 10 in een kwart van de energiebehoefte van het land te voorzien. Elke rectenna zou naast of zelfs binnen een bestaand windpark kunnen worden geplaatst.

Als het systeem verder zou worden opgeschaald, zou het in principe kunnen voorzien in meer dan 150% van de totale mondiale elektriciteitsvraag (hoewel een veerkrachtige energievoorziening doorgaans een brede mix van bronnen zou vereisen). Soltau voegt eraan toe dat in de ruimte gebaseerde zonne-energie ook een veel lagere impact op het milieu zal hebben dan hernieuwbare energiebronnen op aarde. De ecologische voetafdruk zou klein zijn, er zou weinig vraag zijn naar zeldzame aardmetalen en er zou, in tegenstelling tot windturbines, geen lawaai of hoge zichtbare constructies zijn.

Als dat allemaal te mooi klinkt om waar te zijn, dan is dat misschien ook zo. Het Frazer-Nash-rapport geeft toe dat er verschillende ‘ontwikkelingsproblemen’ zijn, met name het vinden van manieren om draadloze energieoverdracht efficiënter te maken. Chris Rodenbeck, een elektrotechnisch ingenieur van het US Naval Research Laboratory in Washington DC, zegt dat grootschalige demonstraties van de technologie moeilijk te realiseren zijn. Ze vereisen aanhoudende investeringen en gerichte vooruitgang in elektronische componenten, zoals gelijkrichtdiodes met hoog vermogen, die niet direct verkrijgbaar zijn.

Gelukkig is draadloze energietransmissie al tientallen jaren in opkomst. In 2021 stuurde het team van Rodenbeck 1.6 kW elektrisch vermogen over een afstand van 1 km, met een conversie-efficiëntie van magnetron naar elektriciteit van 73%. Op het eerste gezicht is dat minder indrukwekkend dan de krachtigste demonstratie van draadloze energie tot nu toe, die plaatsvond in 1975 toen het personeel van NASA's Goldstone-laboratorium in Californië werden microgolven van 10 GHz omgezet in elektriciteit met een efficiëntie van meer dan 80%. Cruciaal was echter dat Rodenbeck gebruik maakte van 2.4 GHz-microgolven met een lagere frequentie, die in de ruimte veel minder atmosferisch verlies zouden lijden.

Om de hogere diffractie (bundelspreiding) die van nature voorkomt bij lagere frequenties tegen te gaan, hebben de onderzoekers het omliggende terrein benut om de microgolven naar de ontvangerarray te ‘stuiteren’, waardoor de vermogensdichtheid met 70% werd verbeterd (IEEE J. Microw. 2 28). “We hebben [de test] vrij snel en goedkoop uitgevoerd tijdens de wereldwijde pandemie”, zegt Rodenbeck. “We hadden meer kunnen bereiken.”

Voor de initiële bouw is een fabriek in de ruimte nodig die 24 uur per dag, 7 dagen per week geopend is, met een lopende band zoals een autofabriek op aarde.

Yang Gao, Universiteit van Surrey

Rodenbeck is optimistisch over de vooruitzichten van zonne-energie in de ruimte. Terwijl kernfusie, zo beweert hij, ‘tegen fundamentele problemen van de natuurkunde aanloopt’, botst zonne-energie uit de ruimte – en draadloze energieoverdracht – alleen maar tegen ‘dollars’. “[Het is] de enige vorm van groene, hernieuwbare energie met het potentieel om continue basisstroom te leveren”, beweert Rodenbeck. “Behoudens een technische doorbraak [in] gecontroleerde kernfusie, lijkt het zeer waarschijnlijk dat de mensheid zonne-energie uit de ruimte zal benutten voor toekomstige energiebehoeften.”

Er komt echter een waarschuwing uit Yang Gao, een ruimtevaartingenieur aan de Universiteit van Surrey in Groot-Brittannië, die toegeeft dat “de enorme schaal” van het voorgestelde ruimtesysteem “behoorlijk verbijsterend is”. Ze gelooft dat de eerste constructie wellicht “een 24/7 fabriek in de ruimte vereist, met een lopende band zoals een autofabriek op aarde”, waarbij waarschijnlijk gebruik wordt gemaakt van autonome robots. Wat betreft het onderhoud van de faciliteit, zodra deze gebouwd is, zegt Gao dat dit “veeleisend” zou zijn.

Voor Cash is cruciaal de baan die een ruimtekrachtsatelliet zou innemen. Een geostationaire satelliet op zonne-energie zou zo ver van de aarde verwijderd zijn dat er enorme en dure zenders en rectennes nodig zouden zijn om energie efficiënt te kunnen verzenden. Maar door te profiteren van meerdere satellieten in kortere, zeer elliptische banen, zegt Cash, zouden investeerders met een fractie van het kapitaal kleinere werksystemen op basis van het CASSIOPeiA-concept kunnen realiseren. SPS Alpha en MR-SPS zouden daarentegen vanaf dag één op ware grootte moeten zijn.

Is er voldoende wil?

En toch is de grootste uitdaging voor in de ruimte gestationeerde zonne-energie misschien niet economisch of technisch, maar eerder politiek. In een wereld waar substantiële aantallen mensen geloven in complottheorieën rond de mobiele 5G-technologie, zou het uitzenden van gigawatt aan microgolfenergie vanuit de ruimte naar de aarde lastig te verkopen zijn – ondanks dat de maximale straalintensiteit nauwelijks 250 W/m bedraagt.², minder dan een kwart van de maximale zonne-intensiteit op de evenaar.

In feite geeft het Britse rapport toe dat de voorstanders de publieke eetlust moeten testen en “een gesprek moeten organiseren” rond de belangrijkste ideeën. Maar er zijn ook echte technische en maatschappelijke overwegingen. Waar komen de rectenna’s? Hoe zullen de satellieten aan het einde van hun levensduur worden ontmanteld zonder dat er ruimteafval ontstaat? Zal er in het microgolfspectrum nog ruimte overblijven voor iets anders? En zal het systeem kwetsbaar zijn voor aanvallen?

Naar aanleiding van zijn rapport heeft de De Britse regering heeft een fonds van £ 3 miljoen onthuld om industrieën te helpen enkele van de belangrijkste technologieën te ontwikkelen, waarbij voormalig zakensecretaris Kwasi Kwarteng zei dat zonne-energie uit de ruimte “een betaalbare, schone en betrouwbare energiebron voor de hele wereld zou kunnen bieden”. Het is onwaarschijnlijk dat die pot met geld veel zal opleveren voor een onderneming van deze omvang. Daarom heeft Soltau geholpen bij het opzetten van een bedrijf genaamd Ruimte zonne-energie, dat in eerste instantie £200 miljoen hoopt op te halen bij particuliere investeerders.

Ondertussen is wat hij een ‘samenwerking van bereidwilligen’ noemt, de Initiatief voor ruimte-energie, heeft wetenschappers, ingenieurs en ambtenaren van meer dan 50 academische instellingen, bedrijven en overheidsinstanties bijeengebracht die aan het werk zijn pro bono helpen een werkend systeem tot bloei te brengen. SpaceX staat nog niet op de lijst, maar Soltau beweert de aandacht van het Amerikaanse bedrijf te hebben getrokken. ‘Ze zijn erg geïnteresseerd’, zegt hij.

Cash twijfelt er niet aan dat er investeringen zullen worden gevonden. Hernieuwbare energiebronnen op aarde kunnen geen ononderbroken stroom op basislast leveren zonder een enorm kostbare batterij-infrastructuur, terwijl kernenergie altijd met hevige tegenstand te maken krijgt. Op de ruimte gebaseerde zonne-energie is volgens Cash een essentieel onderdeel van de mix als we de netto nul willen bereiken, en het simpelweg vragen van mensen om minder energie te gebruiken is een ‘gevaarlijk idee’. De meeste oorlogen zijn uitgevochten vanwege een vermeend gebrek aan middelen”, zegt hij. “Als we niet kijken naar hoe we de beschaving vooruit kunnen helpen, is het alternatief heel beangstigend.”