Rombasert solenergi: kan strålende sollys tilbake til jorden dekke våre energibehov?

Den teoretiske fysikeren Freeman Dyson forestilte seg en gang en fremmed sivilisasjon som var så avansert at den hadde omgitt sin morstjerne med et gigantisk, kunstig skall. Den indre overflaten av denne "Dyson-sfære" ville fange solstråling og overføre den til oppsamlingspunkter, hvor den ville bli omdannet til brukbar energi. En slik forestilling forblir science fiction, men kan et lignende prinsipp brukes i mye mindre skala for å utnytte kraften til vår egen sol?

Tross alt, bortenfor skyene, i det nattløse flammen i verdensrommet nær jorden, er det mer uavbrutt solenergi enn menneskeheten realistisk kunne kreve i århundrer fremover. Det er derfor en gruppe forskere og ingeniører i mer enn 50 år har drømt om teknikker for å fange denne energien i verdensrommet og sende den tilbake til bakken.

"Rombasert solkraft", som det er kjent, har to store fordeler i forhold til tradisjonelle metoder for å tappe sola og vinden. For det første betyr å sette en satellitt som fanger sollys i verdensrommet at vi ikke trenger å dekke store deler av land på jorden med solcellepaneler og vindparker. For det andre vil vi ha rikelig med energi selv når det, til tross for lokale værforhold, er overskyet eller vinden har avtatt.

Og det er problemet med solenergi og vindkraft her på jorden: de kan aldri møte våre energibehov på en konsekvent basis, selv om de er kraftig utvidet. Forskere ved University of Nottingham estimerte i fjor at hvis Storbritannia skulle stole helt på disse fornybare kildene, ville landet trenge å lagre mer enn 65 terawattimer med energi. Det vil koste over 170 milliarder pund, mer enn det dobbelte av landets kommende høyhastighetsnettverk (energier 14 8524).

De fleste anstrengelser for å realisere rombasert solenergi har dessverre rammet tilsynelatende vanskelige tekniske og økonomiske problemer. Men tidene endrer seg. Innovativ satellittdesign, samt mye lavere oppskytningskostnader, får plutselig rombasert solenergi til å virke som en realistisk løsning. Japan har skrevet det inn i loven som et nasjonalt mål, mens European Space Agency har sendt ut en oppfordring om ideer. Kina og USA er begge byggetestanlegg.

I mellomtiden, en konsultasjon publisert av den britiske regjeringen i 2021 konkluderte med at rombasert solenergi er teknisk og økonomisk gjennomførbart. Det var fristende nok at den regnet med at denne teknologiske løsningen kunne implementeres i praksis 10 år før 2050-målet "netto null" til det mellomstatlige panelet for klimaendringer. Så er rombasert solenergi svaret på klimaets problemer? Og i så fall, hva hindrer det i å bli en realitet?

Romdrømmer

Det originale konseptet med solenergi fra verdensrommet ble utviklet i 1968 av Peter Glaser, en amerikansk ingeniør ved konsulentfirmaet Arthur D Little. Han så for seg å plassere en enorm skiveformet satellitt i geostasjonær bane rundt 36,000 XNUMX km over jorden (Vitenskap 162 857). Satellitten, omtrent 6 km i diameter, ville være laget av solcellepaneler for å samle inn sollys og konvertere det til elektrisk energi. Denne energien vil deretter bli omgjort til mikrobølger ved hjelp av en rørforsterker og stråle til jorden via en sender med en diameter på 2 km.

Det er den eneste formen for grønn, fornybar energi med potensial til å gi kontinuerlig, grunnleggende elektrisk kraft.

Chris Rodenbeck, US Naval Research Laboratory

Det fine med mikrobølger er at de ikke blir absorbert av skyer her på jorden og vil derfor stort sett (men ikke helt) passere gjennom atmosfæren vår. Glaser så for seg at de skulle samles opp av en fast antenne på 3 km i diameter, hvor de ville bli omgjort til strøm for nettet. "Selv om bruken av satellitter for konvertering av solenergi kan være flere tiår unna," skrev han, "er det mulig å utforske flere aspekter av den nødvendige teknologien som en guide for fremtidig utvikling."

Den første reaksjonen var positiv i det minste i noen kvartaler, og NASA tildelte Glasers selskap, Arthur D Little, en kontrakt for videre studier. Gjennom årene har imidlertid konklusjonene fra påfølgende studier av rombasert solenergi variert fra forsiktig positive til ytre negative.

I 2015 fikk teknologien for eksempel ikke mer enn en lunken dom i en rapport fra Strategic Studies Institute (SSI) ved US Army War College, som siterte "ingen overbevisende bevis" for at romsolenergi kan være økonomisk konkurransedyktig med jordbasert kraftproduksjon. SSI kritiserte spesielt de "tvilsomme antakelsene" gjort av sine talsmenn om å få en så enorm banestruktur ut i verdensrommet. Enkelt sagt uttalte rapporten at det ikke er nok bæreraketter, og de som er tilgjengelige er for dyre.

Men SSIs mindre enn lysende dom kom før private selskaper - spesielt SpaceX – begynte å transformere romindustrien. Ved å kombinere gjenbrukbare rakettsystemer med en prøving-og-feil-holdning til forskning og utvikling, har det amerikanske firmaet i løpet av det siste tiåret redusert kostnadene ved oppskyting i bane nær jorden med mer enn en faktor 10 (per kilo nyttelast ), med planer om å redusere den med en størrelsesorden ytterligere. Hva SSI anså som en stor begrensning i lanseringskostnadene er faktisk ikke lenger et problem.

Ikke at kostnadene ved å få en satellitt ut i verdensrommet har vært det eneste stikkpunktet. Glasers originale konsept var villedende enkelt, med mange skjulte utfordringer. For det første, når en satellitt går i bane rundt jorden, endres vinkelen mellom solen, fartøyet og punktet på jorden som energien sendes til hele tiden. For eksempel, hvis en geostasjonær satellitt trenes på jorden, vil solcelleanlegget vende mot solen ved middagstid, men ha ryggen mot solen ved midnatt. Satellitten ville med andre ord ikke generere strøm hele tiden.

Den opprinnelige løsningen på dette problemet var å kontinuerlig rotere solcellepanelene i forhold til mikrobølgesendere, som ville forbli faste. Solcellepanelene ville da alltid peke mot solen, mens senderne alltid ville vendt mot jorden. Først fremmet i 1979 av NASA som en utvikling av Glasers ideer, ble løsningen utvidet ytterligere i et forslag fra 2015 av ingeniører ved China Academy of Space Technology i Beijing, som kalte den Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, eller MR-SPS (figur 1).

I mellomtiden, John Mankins, en tidligere NASA-ingeniør, oppfant en rivaliserende løsning i 2012. Dubbet SPS Alpha, var ideen hans å holde solcellepanelene og senderen fast, men installere mange speil rundt panelene (figur 2). Kjent som heliostater, vil disse speilene kunne rotere, kontinuerlig omdirigere sollys til solcellepanelene og dermed la satellitten levere strøm til jorden uten pause.

Verken MR-SPS eller SPS Alpha er imidlertid tilfredsstillende, iht Ian Cash, direktør og overingeniør ved International Electric Company Limited i Oxfordshire, Storbritannia. En tidligere designer av elektroniske systemer i bil-, romfarts- og energisektorene, vendte Cash for et tiår siden til den private utviklingen av rene, storskala energikilder. Opprinnelig lokket av potensialet til kjernefysisk fusjon, ble han skremt av dens "virkelig vanskelige" problemer og satte raskt i gang rombasert solenergi som det mest praktiske alternativet.

For Cash er problemet med både MR-SPS og SPS Alpha at de må rotere noen deler av satellitten i forhold til andre. Hver del vil derfor måtte være fysisk koblet til en annen og trenge et leddledd som beveger seg. Problemet er at når de brukes på satellitter som den internasjonale romstasjonen, kan slike ledd svikte på grunn av slitasje. Å utelate leddforbindelser ville gjøre en solenergisatellitt mer pålitelig, konkluderte Cash. "Jeg ønsket å finne ut hva som kreves for å ha en solid state-løsning som alltid ser solen og jorden," sier han.

I 2017 hadde Cash funnet ut av det, eller det hevder han. Hans CASSIOPeiA konsept er en satellitt som i hovedsak ser ut som en spiraltrapp, med fotovoltaiske paneler som "tråene" og mikrobølgesendere - stavformede dipoler - som "stigerør". Den smarte spiralformede geometrien gjør at CASSIOPeiA kan motta og overføre solenergi 24 timer i døgnet, uten bevegelige deler (figur 3).

Cash, som har til hensikt å tjene på CASSIOPeiA ved å lisensiere den relaterte immaterielle eiendommen, hevder mange andre fordeler med konseptet hans. Hans foreslåtte satellitt kan bygges av hundrevis (og muligens tusenvis) av mindre moduler koblet sammen, med hver modul som fanger solenergi, konverterer den elektronisk til mikrobølger og deretter overfører dem til jorden. Det fine med denne tilnærmingen er at hvis en modul ble truffet av kosmiske stråler eller romavfall, ville dens feil ikke slå ut hele systemet.

En annen fordel med CASSIOPeiA er at de ikke-fotovoltaiske komponentene er permanent i skyggen, noe som minimerer varmespredningen – noe som er et problem i det konveksjonsfrie vakuumet i rommet. Til slutt, siden satellitten alltid er orientert mot solen, kan den okkupere flere typer bane, inkludert de som er svært elliptiske. Det ville da til tider være nærmere Jorden enn om det var geostasjonært, noe som gjør det billigere siden du ikke trenger å skalere designet på grunnlag av en så enorm sender.

Kanskje ikke overraskende er konkurrentene til Cash ikke enige i vurderingen hans. Mankins, som nå er basert på Artemis Innovation Management Solutions i California, USA, bestrider at de leddede heliostatene i hans SPS-Alpha-konsept er et problem. I stedet hevder han at de er "en enkel utvidelse av [en] veldig moden teknologi" som allerede brukes til å konsentrere sollys for å varme væsker og drive turbiner i "soltårnene" her på jorden. Han mener også at de doble speilene som kreves av CASSIOPeiA kan være et problem da de må bygges veldig nøyaktig.

«Jeg har høy respekt for Ian og hans arbeid; hans nyere CASSIOPeiA-konsept er ett av flere som er veldig like i karakter, inkludert SPS-Alpha, sier Mankins. "Men jeg er ikke enig i hans forventning om at CASSIOPeiA vil vise seg å være SPS-Alpha overlegen." For Mankins vil den beste tilnærmingen til rombasert solenergi til syvende og sist avhenge av resultatene av utviklingsprosjekter, med den faktiske kostnaden per kilowattime elektrisitet her på jorden som den avgjørende faktoren.

Skalerbar og slående

Interessen for romsolenergi har fått et ekstra løft i kjølvannet av Storbritannias regjerings 2021-rapport inn i teknologien, som knapt kunne vært mer positiv til konseptet. Den ble utarbeidet av ingeniører ved det britiske konsulentfirmaet Frazer-Nash, som korresponderte med en rekke romingeniør- og energieksperter – inkludert oppfinnerne av SPS Alpha, MR-SPS og CASSIOPeiA.

Rapporten konkluderte med at en 1.7 km bred CASSIOPeiA-satellitt i geostasjonær bane som overfører solstråling til 100 km² en rekke mikrobølgemottakere (eller "rectenna") plassert her på jorden ville generere 2 GW kontinuerlig kraft. Det tilsvarer produksjonen fra en stor konvensjonell kraftstasjon. Det er også langt bedre enn for eksempel det eksisterende London Array vindpark i Themsen, som er omtrent 25 % større, men som genererer en gjennomsnittlig effekt på knapt 190 MW.

Mer slående var imidlertid rapportens økonomiske analyse. Basert på et estimat om at et system i full størrelse ville koste 16.3 milliarder pund å utvikle og lansere, og tillater en minimumsrente på investeringen på 20 % år-til-år, konkluderte den med at et rombasert solenergisystem kunne, over sin omtrent 100-årige levetid, generere energi til £50 per MWh.

Frazer-Nash sier at det er 14–52 % dyrere enn dagens jordbasert vind- og solenergi. Men kritisk er det 39–49 % billigere enn biomasse, atomkraft eller de mest effektive gassenergikildene, som er de eneste som for øyeblikket kan tilby uavbrutt "grunnlast"-kraft. Rapportens forfattere sa også at deres konservative estimat for kostnadene "vil forventes å reduseres etter hvert som utviklingen fortsetter".

"Det er utrolig skalerbart," sier Martin Soltau av Frazer-Nash, en av forfatterne. Og med nivået av sollys i rommet rundt jorden som er langt lysere enn nede, regner han med at hver solcellemodul ville samle inn 10 ganger så mye som den ville gjort hvis den ble installert på bakken. Rapporten regner med at Storbritannia vil trenge totalt 15 satellitter – hver med sin egen rektenna – for å dekke en fjerdedel av landets energibehov innen 2050. Hver rektenna kan være plassert ved siden av eller til og med innenfor en eksisterende vindpark.

Hvis ordningen ble oppskalert ytterligere, kunne den i prinsippet levere over 150 % av all global etterspørsel etter elektrisitet (selv om en robust energiforsyning vanligvis ville diktere en bred blanding av kilder). Rombasert solkraft, legger Soltau til, vil også ha en mye lavere innvirkning på miljøet enn jordbaserte fornybare energikilder. Karbonfotavtrykket ville være lite, det ville stilles få krav til sjeldne jordarters mineraler, og det ville, i motsetning til vindturbiner, ikke være støy eller høye synlige strukturer.

Hvis alt høres for godt ut til å være sant, kan det godt være det. Frazer-Nash-rapporten innrømmer flere "utviklingsproblemer", spesielt å finne måter å gjøre trådløs energioverføring mer effektiv på. Chris Rodenbeck, en elektroingeniør fra US Naval Research Laboratory i Washington DC, sier at storskala demonstrasjoner av teknologien er vanskelig å oppnå. De krever vedvarende investeringer og målrettede fremskritt innen elektroniske komponenter, som høyeffekt likeretterdioder, som ikke er lett tilgjengelige.

Heldigvis har trådløs energioverføring utviklet seg i flere tiår. I 2021 sendte Rodenbecks team 1.6 kW elektrisk kraft over en avstand på 1 km, med en mikrobølge-til-elektrisitet konverteringseffektivitet på 73 %. Umiddelbart er det mindre imponerende enn den kraftigste demonstrasjonen av trådløs energi til dags dato, som fant sted i 1975 da ansatte ved NASAs Goldstone-laboratorium i California konverterte 10 GHz mikrobølger til elektrisitet med en effektivitet på over 80 %. Avgjørende, men Rodenbeck brukte lavere frekvens 2.4 GHz mikrobølger, som ville lide mye mindre atmosfærisk tap i verdensrommet.

For å motvirke den høyere diffraksjonen (strålespredningen) som naturlig forekommer ved lavere frekvenser, utnyttet forskerne det omkringliggende terrenget til å "sprette" mikrobølgene mot mottakergruppen, og dermed forbedret effekttettheten med 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). "Vi gjorde [testen] ganske raskt og billig under den globale pandemien," sier Rodenbeck. – Vi kunne ha oppnådd mer.

Innledende konstruksjon vil kreve en 24/7 fabrikk i verdensrommet, med et samlebånd som en bilfabrikk på jorden.

Yang Gao, University of Surrey

Rodenbeck er optimistisk med tanke på utsiktene til rombasert solkraft. Mens kjernefysisk fusjon er, hevder han, "mot grunnleggende fysikkproblemer", er rombasert solenergi - og trådløs kraftoverføring - bare "mot dollar". "[Det er] den eneste formen for grønn, fornybar energi med potensial til å gi kontinuerlig, grunnleggende elektrisk kraft," hevder Rodenbeck. "Med unntak av et teknisk gjennombrudd [i] kontrollert kjernefysisk fusjon, virker det svært sannsynlig at menneskeheten vil utnytte verdensrommets solenergi for fremtidige energibehov."

En forsiktighet kommer imidlertid fra Yang Gao, en romfartsingeniør ved University of Surrey i Storbritannia, som innrømmer at «den store skalaen» til det foreslåtte romsystemet «er ganske imponerende». Hun mener den første konstruksjonen godt kan kreve "en 24/7 fabrikk i verdensrommet, med et samlebånd som en bilfabrikk på jorden", sannsynligvis ved bruk av autonome roboter. Når det gjelder vedlikehold av anlegget, når det først er bygget, sier Gao at det ville være "krevende".

For Cash er det avgjørende banen som en romkraftsatellitt vil okkupere. En geostasjonær solenergisatellitt ville være så langt fra jorden at det ville kreve enorme og dyre sendere og rektennaer for å overføre energi effektivt. Men ved å dra nytte av flere satellitter på kortere, svært elliptiske baner, sier Cash, kan investorer realisere mindre arbeidssystemer på CASSIOPeiA-konseptet med en brøkdel av kapitalen. SPS Alpha og MR-SPS, derimot, må være i full størrelse fra dag én.

Er det nok vilje?

Og likevel er den største utfordringen for rombasert solenergi kanskje ikke økonomisk eller teknisk, men politisk. I en verden hvor et betydelig antall mennesker tror på konspirasjonsteorier rundt 5G-mobilteknologi, kan det å stråle gigawatt med mikrobølgekraft fra verdensrommet til jorden bli et vanskelig salg – til tross for at den maksimale stråleintensiteten er knapt 250 W/m², mindre enn en fjerdedel av den maksimale solintensiteten ved ekvator.

Faktisk innrømmer den britiske rapporten at dens tilhengere må teste den offentlige appetitten og "kuratere en samtale" rundt nøkkelideene. Men det er reelle tekniske og samfunnsmessige hensyn også. Hvor skal rektennaene plasseres? Hvordan vil satellittene bli tatt ut av drift når de er ferdige uten å legge til romsøppel? Vil det være plass i mikrobølgespekteret til noe annet? Og vil systemet være sårbart for angrep?

I kjølvannet av rapporten sin Den britiske regjeringen avduket et fond på 3 millioner pund for å hjelpe industrier med å utvikle noen av nøkkelteknologiene, med tidligere forretningssekretær Kwasi Kwarteng som sa at rombasert solenergi "kan gi en rimelig, ren og pålitelig energikilde for hele verden". Den potten med kontanter vil neppe gå langt mot et foretak av denne skalaen, og det er grunnen til at Soltau har bidratt til å etablere en virksomhet som heter Space Solar, som håper å samle inn en første £200m fra private investorer.

I mellomtiden, det han kaller et "samarbeid av de villige", den Space Energy Initiative, har samlet forskere, ingeniører og embetsmenn fra over 50 akademiske institusjoner, selskaper og offentlige organer, som jobber pro bono å bidra til å få et fungerende system til å realiseres. SpaceX er ennå ikke på listen, men Soltau hevder å ha fanget det amerikanske selskapets oppmerksomhet. De er veldig interesserte, sier han.

Cash tviler ikke på at investeringen vil bli funnet. Terrestrisk fornybar energi kan ikke levere uavbrutt grunnlastkraft uten enormt kostbar batteriinfrastruktur, mens kjernekraft alltid møter hard motstand. Rombasert solkraft, mener Cash, er en viktig del av blandingen hvis vi skal nå null, og å bare be folk om å bruke mindre energi er en "farlig idé". De fleste krigene har blitt utkjempet på grunn av en antatt mangel på ressurser, sier han. "Hvis vi ikke ser på hvordan vi kan holde sivilisasjonen fremover, er alternativet veldig skummelt."