Rymdbaserad solenergi: kan strålande solljus tillbaka till jorden möta våra energibehov?

Den teoretiske fysikern Freeman Dyson föreställde sig en gång en utomjordisk civilisation som var så avancerad att den hade omringat sin moderstjärna med ett gigantiskt, konstgjort skal. Den inre ytan av denna "Dyson sfär" skulle fånga solstrålning och överföra den till uppsamlingsplatser, där den skulle omvandlas till användbar energi. En sådan föreställning förblir science fiction, men skulle en liknande princip kunna användas i mycket mindre skala för att utnyttja kraften i vår egen sol?

När allt kommer omkring, bortom molnen, i den nattlösa glöden i rymden nära jorden, finns det mer oavbruten solenergi än vad mänskligheten realistiskt skulle kunna kräva i århundraden framöver. Det är därför en grupp forskare och ingenjörer i mer än 50 år har drömt om tekniker för att fånga denna energi i rymden och stråla tillbaka den till marken.

"Rymdbaserad solenergi", som det kallas, har två enorma fördelar jämfört med traditionella metoder för att ta vara på solen och vinden. För det första, att sätta en solljusfångande satellit i rymden innebär att vi inte skulle behöva täcka stora delar av marken på jorden med solpaneler och vindkraftsparker. För det andra skulle vi ha en riklig tillgång på energi även när det, trots lokala väderförhållanden, är mulet eller vinden har avtagit.

Och det är problemet med solenergi och vindkraft här på jorden: de kan aldrig möta våra energibehov på en konsekvent basis, även om de är kraftigt utökade. Forskare vid University of Nottingham uppskattade förra året att, om Storbritannien helt skulle förlita sig på dessa förnybara källor, skulle landet behöva lagra mer än 65 terawattimmar energi. Det skulle kosta över 170 miljarder pund, mer än dubbelt så mycket som landets kommande järnvägsnät för höghastighetståg (energier 14 8524).

De flesta ansträngningar för att realisera rymdbaserad solenergi har tyvärr stött på till synes svårlösta tekniska och ekonomiska problem. Men tiderna förändras. Innovativa satellitdesigner, såväl som mycket lägre uppskjutningskostnader, får plötsligt rymdbaserad solenergi att framstå som en realistisk lösning. Japan har skrivit in det i lag som ett nationellt mål, medan Europeiska rymdorganisationen har lagt ut en uppmaning till idéer. Kina och USA är båda byggprovanläggningar.

Samtidigt en samråd publicerat av den brittiska regeringen 2021 drog slutsatsen att rymdbaserad solenergi är tekniskt och ekonomiskt genomförbar. Det var lockande nog att den räknade med att denna tekniska lösning skulle kunna omsättas i praktiken 10 år före 2050 års "netto noll"-mål för den mellanstatliga panelen för klimatförändringar. Så är rymdbaserad solenergi svaret på vårt klimats elände? Och i så fall, vad hindrar det från att bli verklighet?

Rymddrömmar

Det ursprungliga konceptet med solenergi från rymden skapades 1968 av Peter Glaser, en amerikansk ingenjör på konsultföretaget Arthur D Little. Han föreställde sig att placera en enorm skivformad satellit i geostationär bana cirka 36,000 XNUMX km över jorden (Vetenskap 162 857). Satelliten, ungefär 6 km i diameter, skulle vara gjord av solcellspaneler för att samla in solljus och omvandla det till elektrisk energi. Denna energi skulle sedan omvandlas till mikrovågor med hjälp av en rörförstärkare och strålas till jorden via en sändare med en diameter på 2 km.

Det är den enda formen av grön, förnybar energi med potential att tillhandahålla kontinuerlig, baslinje elektrisk kraft.

Chris Rodenbeck, US Naval Research Laboratory

Det fina med mikrovågor är att de inte absorberas av moln här på jorden och därför skulle passera i stort sett (men inte helt) obehindrat genom vår atmosfär. Glaser föreställde sig att de skulle samlas upp av en fast antenn på 3 km i diameter, där de skulle omvandlas till el för nätet. "Även om användningen av satelliter för omvandling av solenergi kan vara flera decennier bort," skrev han, "är det möjligt att utforska flera aspekter av den nödvändiga tekniken som en guide för framtida utveckling."

Den initiala reaktionen var positiv åtminstone på vissa håll, med NASA tilldelade Glasers företag, Arthur D Little, ett kontrakt för vidare studier. Under årens lopp har dock slutsatserna från efterföljande studier av rymdbaserad solenergi varierat från försiktigt positiva till utåt negativa.

2015 fick tekniken till exempel inte mer än en ljummen dom i en rapport från Strategic Studies Institute (SSI) vid US Army War College, som citerade "inga övertygande bevis" för att rymdsolenergi skulle kunna vara ekonomiskt konkurrenskraftig med markkraftsproduktion. SSI kritiserade särskilt de "tvivelaktiga antagandena" som dess förespråkare gjorde om att få ut en sådan enorm kretsande struktur i rymden. Enkelt uttryckt konstaterade rapporten att det inte finns tillräckligt med bärraketer, och de som är tillgängliga är för dyra.

Men SSI:s mindre än lysande dom kom framför privata företag – särskilt SpaceX – började förändra rymdindustrin. Genom att kombinera återanvändbara raketsystem med en trial-and-error-inställning till forskning och utveckling, har det amerikanska företaget under det senaste decenniet sänkt kostnaden för uppskjutning i en omloppsbana nära jorden med mer än en faktor 10 (per kilo nyttolast) ), med planer på att minska den ytterligare med en storleksordning. Vad SSI ansåg vara en stor begränsning av lanseringskostnaderna är i själva verket inte längre ett problem.

Inte för att kostnaden för att få ut en satellit i rymden har varit den enda problematiken. Glasers ursprungliga koncept var bedrägligt enkelt, med många dolda utmaningar. Till att börja med, när en satellit kretsar runt jorden, förändras vinkeln mellan solen, farkosten och den punkt på jorden dit energin skickas ständigt. Till exempel, om en geostationär satellit tränas på jorden, kommer dess solceller att vara vända mot solen vid middagstid men har ryggen mot solen vid midnatt. Satelliten skulle med andra ord inte generera elektricitet hela tiden.

Den ursprungliga lösningen på detta problem var att kontinuerligt rotera solcellspanelerna i förhållande till mikrovågssändarna, som skulle förbli fixerade. Solcellspanelerna skulle då alltid peka mot solen, medan sändarna alltid skulle vara vända mot jorden. Först lades fram 1979 av NASA som en utveckling av Glasers idéer, lösningen utökades ytterligare i ett förslag från 2015 av ingenjörer vid China Academy of Space Technology i Peking, som kallade den Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, eller MR-SPS (bild 1).

Under tiden, John Mankins, en före detta NASA-ingenjör, uppfann en rivaliserande lösning 2012. Dubbad SPS Alpha, hans idé var att hålla solpanelerna och sändaren fasta, men installera många speglar som omger panelerna (figur 2). Kända som heliostater, skulle dessa speglar kunna rotera, kontinuerligt omdirigera solljus till solpanelerna och därigenom tillåta satelliten att leverera ström till jorden utan avbrott.

Varken MR-SPS eller SPS Alpha är dock tillfredsställande, enligt Ian Cash, direktör och överingenjör vid International Electric Company Limited i Oxfordshire, Storbritannien. Cash var en före detta konstruktör av elektroniska system inom fordons-, flyg- och energisektorerna och vände sig för ett decennium sedan till privat utveckling av rena, storskaliga energikällor. Ursprungligen lockad av kärnfusionspotentialen, avskräcktes han av dess "riktigt svåra" problem och satte sig snabbt på rymdbaserad solenergi som det mest praktiska alternativet.

För Cash är problemet med både MR-SPS och SPS Alpha att de måste rotera vissa delar av satelliten i förhållande till andra. Varje del skulle därför behöva vara fysiskt kopplad till en annan och behöva en ledad led som rör sig. Problemet är att när de används på satelliter som den internationella rymdstationen, kan sådana leder misslyckas på grund av slitage. Att utelämna ledade leder skulle göra en solenergisatellit mer pålitlig, avslutade Cash. "Jag ville ta reda på vad som krävs för att ha en solid state-lösning som alltid ser solen och jorden", säger han.

2017 hade Cash räknat ut det, eller så hävdar han. Hans CASSIOPeiA koncept är en satellit som i grund och botten ser ut som en spiraltrappa, där solcellspanelerna är "tramperna" och mikrovågssändarna - stavformade dipoler - är "stigarna". Dess smarta spiralformade geometri gör att CASSIOPeiA kan ta emot och sända solenergi 24 timmar om dygnet, utan rörliga delar (figur 3).

Cash, som har för avsikt att tjäna på CASSIOPeiA genom att licensiera den relaterade immateriella egendomen, hävdar många andra fördelar med hans koncept. Hans föreslagna satellit kan byggas av hundratals (och möjligen tusentals) mindre moduler sammanlänkade, där varje modul fångar solenergi, omvandlar den elektroniskt till mikrovågor och sedan överför dem till jorden. Det fina med detta tillvägagångssätt är att om någon modul träffades av kosmiska strålar eller rymdskräp, skulle dess misslyckande inte slå ut hela systemet.

En annan fördel med CASSIOPeiA är att de icke-fotovoltaiska komponenterna är permanent i skuggan, vilket minimerar värmeavledning – något som är ett problem i rymdens konvektionsfria vakuum. Slutligen, eftersom satelliten alltid är orienterad mot solen kan den uppta fler typer av omloppsbana, inklusive de som är mycket elliptiska. Det skulle då ibland vara närmare jorden än om det vore geostationärt, vilket gör det billigare eftersom du inte behöver skala designen utifrån en så enorm sändare.

Kanske inte överraskande håller inte Cashs konkurrenter med om hans bedömning. Mankins, som nu är baserad på Artemis Innovation Management Solutions i Kalifornien, USA, bestrider att de ledade heliostaterna i hans SPS-Alpha-koncept är ett problem. Istället hävdar han att de är "en enkel förlängning av [en] mycket mogen teknologi" som redan används för att koncentrera solljus för att värma vätskor och driva turbiner i "soltorn" här på jorden. Han tror också att de dubbla speglarna som krävs av CASSIOPeiA kan vara ett problem eftersom de måste byggas mycket exakt.

”Jag har hög respekt för Ian och hans arbete; hans nyare CASSIOPeiA-koncept är ett av flera som är väldigt lika till sin karaktär, inklusive SPS-Alpha”, säger Mankins. "Jag håller dock inte med om hans förväntningar på att CASSIOPeiA ska visa sig vara överlägsen SPS-Alpha." För Mankins kommer det bästa förhållningssättet till rymdbaserad solenergi i slutändan att bero på resultaten av utvecklingsprojekt, med den faktiska kostnaden per kilowattimme el här på jorden som den avgörande faktorn.

Skalbar och slående

Intresset för rymdsolenergi har fått ett extra lyft i kölvattnet av Storbritanniens regerings rapport 2021 in i tekniken, som knappast kunde ha varit mer positiv till konceptet. Den har utarbetats av ingenjörer på det brittiska konsultföretaget Frazer-Nash, som korresponderade med ett antal rymdteknik- och energiexperter – inklusive uppfinnarna av SPS Alpha, MR-SPS och CASSIOPeiA.

Rapporten drog slutsatsen att en 1.7 km bred CASSIOPeiA-satellit i geostationär omloppsbana sänder solstrålning till 100 km² en rad mikrovågsmottagare (eller "rectenna") som finns här på jorden skulle generera 2 GW kontinuerlig effekt. Det motsvarar effekten från ett stort konventionellt kraftverk. Det är också mycket bättre än, säg, det befintliga London Array vindkraftspark i Themsens mynning, som är cirka 25 % större men genererar en medeleffekt på knappt 190 MW.

Mer slående var dock rapportens ekonomiska analys. Baserat på en uppskattning att ett system i full storlek skulle kosta 16.3 miljarder pund att utveckla och lansera, och med en lägsta avkastning på investeringen på 20 % på årsbasis, drog den slutsatsen att ett rymdbaserat solenergisystem skulle under sin ungefär 100-åriga livslängd kunna generera energi för £50 per MWh.

Frazer-Nash säger att det är 14–52 % dyrare än nuvarande markbaserad vind- och solenergi. Men kritiskt sett är det 39–49 % billigare än biomassa, kärnkraft eller de mest effektiva gasenergikällorna, som är de enda som för närvarande kan erbjuda oavbruten "baslast"-kraft. Rapportens författare sa också att deras försiktiga uppskattning av kostnader "skulle förväntas minska allt eftersom utvecklingen fortskrider".

"Det är otroligt skalbart", säger Martin Soltau av Frazer-Nash, en av författarna. Och eftersom nivån av solljus i rymden runt jorden är mycket ljusare än nere, räknar han med att varje solcellsmodul skulle samla in 10 gånger så mycket som om den skulle installeras på marken. Rapporten räknar med att Storbritannien skulle behöva totalt 15 satelliter – var och en med sin egen rektenna – för att tillhandahålla en fjärdedel av landets energibehov till 2050. Varje rektenna skulle kunna placeras bredvid eller till och med inom en befintlig vindkraftspark.

Om systemet skulle skalas upp ytterligare skulle det i princip kunna leverera över 150 % av all global elefterfrågan (även om en robust energiförsörjning vanligtvis skulle diktera en bred blandning av källor). Rymdbaserad solenergi, tillägger Soltau, skulle också ha en mycket lägre inverkan på miljön än jordbaserade förnybara energikällor. Koldioxidavtrycket skulle bli litet, det skulle ställas få krav på sällsynta jordartsmetaller och det skulle, till skillnad från vindkraftverk, inte finnas något buller eller höga synliga strukturer.

Om allt låter för bra för att vara sant kan det mycket väl vara det. Frazer-Nash-rapporten erkänner flera "utvecklingsproblem", särskilt att hitta sätt att göra trådlös energiöverföring mer effektiv. Chris Rodenbeck, en elektroingenjör från US Naval Research Laboratory i Washington DC, säger att storskaliga demonstrationer av tekniken är svåra att uppnå. De kräver uthålliga investeringar och riktade framsteg inom elektroniska komponenter, såsom högeffekts likriktardioder, som inte är lättillgängliga.

Lyckligtvis har trådlös energiöverföring gått framåt i decennier. År 2021 skickade Rodenbecks team 1.6 kW elektrisk effekt över en sträcka på 1 km, med en mikrovågs-till-elektricitetskonverteringseffektivitet på 73 %. På första sidan är det mindre imponerande än den mest kraftfulla demonstrationen av trådlös energi hittills, som ägde rum 1975 när personal på NASA:s Goldstone-labb i Kalifornien omvandlade 10 GHz mikrovågor till elektricitet med en verkningsgrad på över 80 %. Avgörande är dock att Rodenbeck använde lägre frekvens 2.4 GHz mikrovågor, som skulle drabbas av mycket mindre atmosfärisk förlust i rymden.

För att motverka den högre diffraktionen (strålespridning) som naturligt förekommer vid lägre frekvenser, utnyttjade forskarna den omgivande terrängen för att "studsa" mikrovågorna mot mottagargruppen, och därigenom förbättra effekttätheten med 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). "Vi gjorde [testet] ganska snabbt och billigt under den globala pandemin", säger Rodenbeck. "Vi kunde ha uppnått mer."

Inledande konstruktion kommer att kräva en 24/7 fabrik i rymden, med ett löpande band som en bilfabrik på jorden.

Yang Gao, University of Surrey

Rodenbeck är optimistisk om utsikterna för rymdbaserad solenergi. Medan kärnfusion, hävdar han, är "att stöta på grundläggande problem inom fysik", rymdbaserad solenergi - och trådlös kraftöverföring - är bara "mot dollar". "[Det är] den enda formen av grön, förnybar energi med potential att tillhandahålla kontinuerlig baslinjeelektrisk kraft," hävdar Rodenbeck. "Förutom ett tekniskt genombrott [inom] kontrollerad kärnfusion verkar det mycket troligt att mänskligheten kommer att utnyttja rymdens solenergi för framtida energibehov."

En anmärkning av försiktighet kommer dock från Yang Gao, en rymdingenjör vid University of Surrey i Storbritannien, som medger att "den stora omfattningen" av det föreslagna rymdsystemet "är ganska häpnadsväckande". Hon tror att den initiala konstruktionen mycket väl kan kräva "en 24/7 fabrik i rymden, med ett löpande band som en bilfabrik på jorden", förmodligen med hjälp av autonoma robotar. När det gäller att underhålla anläggningen, en gång byggd, säger Gao att det skulle vara "krävande".

För Cash är det avgörande den omloppsbana som en rymdkraftsatellit skulle uppta. En geostationär solenergisatellit skulle vara så långt från jorden att det skulle krävas enorma och dyra sändare och rektennor för att sända energi effektivt. Men genom att dra fördel av flera satelliter på kortare, mycket elliptiska banor, säger Cash, kan investerare realisera mindre arbetssystem på CASSIOPeiA-konceptet med en bråkdel av kapitalet. SPS Alpha och MR-SPS skulle däremot behöva vara i full storlek från dag ett.

Finns det tillräckligt med vilja?

Och ändå är den största utmaningen för rymdbaserad solenergi kanske inte ekonomisk eller teknisk, utan politisk. I en värld där ett stort antal människor tror på konspirationsteorier kring 5G-mobilteknik, kan strålande gigawatt mikrovågskraft från rymden till jorden bli en svår försäljning – trots att den maximala strålintensiteten är knappt 250 W/m², mindre än en fjärdedel av den maximala solintensiteten vid ekvatorn.

Faktum är att den brittiska rapporten medger att dess förespråkare måste testa allmänhetens aptit och att "kurera en konversation" kring nyckelidéerna. Men det finns verkliga tekniska och samhälleliga hänsyn också. Var kommer rektennorna att placeras? Hur kommer satelliterna att avvecklas vid slutet av deras liv utan att lägga till rymdskräp? Kommer det att finnas utrymme i mikrovågsspektrat för något annat? Och kommer systemet att vara sårbart för attacker?

I kölvattnet av sin rapport har Storbritanniens regering presenterade en fond på 3 miljoner pund för att hjälpa industrier att utveckla några av nyckelteknologierna, med tidigare affärssekreterare Kwasi Kwarteng som sa att rymdbaserad solenergi "kan ge en prisvärd, ren och pålitlig energikälla för hela världen". Den potten med kontanter kommer sannolikt inte att gå långt mot ett företag av denna skala, vilket är anledningen till att Soltau har hjälpt till att starta ett företag som heter Space Solar, som hoppas kunna samla in en initial £200m från privata investerare.

Samtidigt, vad han kallar ett "samarbete av de villiga", det Space Energy Initiative, har samlat forskare, ingenjörer och tjänstemän från över 50 akademiska institutioner, företag och statliga organ, som arbetar pro bono för att få ett fungerande system att förverkligas. SpaceX finns ännu inte på listan, men Soltau påstår sig ha fångat det amerikanska företagets uppmärksamhet. "De är väldigt intresserade", säger han.

Kontanter tvivlar inte på att investeringar kommer att hittas. Jordbunden förnybar energi kan inte leverera oavbruten baskraft utan enormt dyr batteriinfrastruktur, medan kärnkraft alltid möter hårt motstånd. Rymdbaserad solenergi, tror Cash, är en viktig del av mixen om vi ska nå nettonoll, och att bara be folk att använda mindre energi är en "farlig idé". De flesta krig har utkämpats på grund av en upplevd brist på resurser”, säger han. "Om vi ​​inte tittar på hur vi kan hålla civilisationen framåt, är alternativet väldigt skrämmande."