Rumbaserede energiløsninger til endeløs ren energi

Presser vedvarende energi højere

Fremstødet for at dekarbonisere og elektrificere vores energisystemer er i øjeblikket afhængig af vedvarende energi, især vind- og solenergi. Geotermisk energi og atomkraft kan også hjælpe.

Desværre lider hver af disse løsninger af nogle begrænsninger:

• Geotermisk energi er stadig ret uafprøvet, når det kommer til produktion i skala og afhænger af ulige lokale varmeressourcer.
• Atomkraft er upopulært, producerer atomaffald og kræver en masse forhåndskapital. Dette hindrer dens vedtagelse, selvom de fleste af disse problemer kan være løst inden for 4^thgeneration af atomkraftsystemer.
• Vedvarende energi lider af intermitterende, hvilket tvinger grønne elnet til også at investere massive summer til batterier og andre former for energilagring.

Når det kommer til solenergi, synes intermittensen at være en uundgåelig funktion, med Jorden om natten halvdelen af ​​tiden. For at forværre dette problem kan skydækning drastisk reducere strømudgangen i uger eller endda måneder i nogle regioner i verden, og det er før vi diskuterer problemerne forårsaget af støv eller sne.

Hvad nu hvis vi for at undgå problemer om natten og om vejret sendte vores solenergibase ud i rummet? Hvordan ville det fungere? Og er der en anden måde at forsyne Jordens civilisationer med strøm fra rummet?

Rumbaseret solenergi

Den første nøglefunktion ved rumbaseret solenergi er, at når satellitterne kredser om Jorden, kan de bringes i et kredsløb, der aldrig er i Jordens skygge, og producere døgnet rundt. Dette fordobler ikke blot produktionen, men fjerner også behovet for batterier til jordbaserede solenergianlæg.

Kombineret med fraværet af reduceret produktion om vinteren eller på grund af skyer, bliver intermitterende solenergi til næsten perfekt baseload power.

En anden faktor er, at atmosfæren absorberer meget af Solens lys, selv uden skyer. Jordens hældning og sfæriske form reducerer også mængden af ​​sol, der rammer jorden væk fra ækvatorområdet.

Orbitale solpaneler lider ikke af nogen af ​​disse begrænsninger. Takket være alle disse faktorer kombineret, et solpanel i kredsløb kunne producere så meget som 40 gange mere end et på jorden.

Hvordan virker det?

Vi ved allerede, hvordan man producerer solenergi i rummet, med højtydende solpaneler, der allerede driver stort set alle satellitter og ISS. I teorien skulle vi bare sende mange flere af sådanne solpaneler op i kredsløbet og sende energien tilbage til Jorden.

Kilde: Solar.com

Overraskende nok er den tilbagesendende kraft ikke så svær, som man kan forestille sig. Det dominerende koncept indtil videre er at bruge mikrobølger (2.45 GHz), som ikke absorberes af skyer. Mikrobølgerne absorberes derefter og omdannes tilbage til elektricitet takket være en dedikeret type antenne kaldet en rectenna.

Alternativt kan strøm også sendes tilbage med lasere.

Kilde: ESA – European Space Agency

At sende en massiv mængde energi tilbage ned til Jordens overflade lyder måske lidt bekymrende. Det skaber ofte billedet af en science fiction-superskurks dødsstråle. I praksis ville en sådan stråle dog være energirig, men slet ikke så kraftig nok til at udgøre en fare for Jordens overflade.

Det skal bemærkes, at en af ​​fordelene ved dette system er, at den jævnstrøm, der skabes af solpanelerne, kan bruges direkte til at udstråle det, med vekselstrøm kun skabt på jorden til at injicere elektriciteten i nettet.

Hvorfor nu?

Solar omkostninger

At producere strøm fra orbitale solcelleanlæg er en gammel idé. Men det er først nu, det begynder at se ud til, at det kan blive levedygtigt.

Den første årsag er den stigende ineffektivitet og faldende omkostninger ved solpaneler, som er de samme faktorer, der gjorde det til en levedygtig mulighed på jorden.

Kilde: Nyhedskanal 3

Yderligere teknologiske fremskridt kan få konverteringseffektiviteten til at stige yderligere. I øjeblikket har de almindeligt anvendte jordsolpaneler en effektivitet i intervallet 20-23%. De, der bruges i rummet, er ofte så høje som 30 %, da de ekstra omkostninger kompenseres af mindre vægt at bære til kredsløb, med yderligere gevinst forventet.

"Nuværende paneler, der bruges i rummet, opnår effektiviteter i størrelsesordenen 30 % ved at konvertere sollys til elektricitet, og i de næste 20 år forventer vi, at de når 40 %

Nicholas Rossi, Head of Innovation hos Enel Group

Startomkostninger

Den anden elefant i rummet er de faldende omkostninger ved at nå kredsløb, næsten udelukkende drevet af SpaceX's resultater inden for genanvendelige raketter. Disse omkostninger er allerede divideret med 10 og forventes at blive ved med at blive billigere med opsendelsen af ​​Starship og masseproduktionen af ​​den største raket i historien.

Kilde: Ark Investering

Da lanceringsomkostningerne var £7,716 pr. kilogram, repræsenterede det cirka £154 pr. watt "installationsomkostninger", sammenlignet med blot £2-1.5 på jorden. Men hvis opsendelsesomkostningerne kan falde lavt nok, gør dette rumbaseret solenergi levedygtig ud fra et økonomisk perspektiv. Og Elon Musk sigter mod blot 100 $/kg i det lange løb, takket være fuld genbrug af den massive Starship-nyttelast.

Rumbaserede solenergibegrænsninger

Pris og lanceringsomkostninger

Som forklaret ovenfor er solbaseret strøm kun levedygtig, hvis lanceringsomkostningerne falder markant. Selvom dette kan ske, er det uklart, hvor hurtigt endnu en 10x reduktion i orbital launch omkostninger kan opnås.

Dette kan betydeligt forsinke indførelsen af ​​rumbaseret solenergi, med de fleste store prototypeprojekter (tæt på MW-skalaen) ikke forventet før 2025-2030 i bedste fald. En væsentlig påvirkning vil ikke blive opnået, før sådanne systemer bygges 1,000 gange større på GW-niveau.

Orbital rod

En anden bekymring er den virkelige holdbarhed af solpanelerne i kredsløb. Rummet er et barskt miljø med høj stråling, og panelerne vil nedbrydes over tid. Det samme vil sandsynligvis ske med elektroniske komponenter som mikrobølgeantennen.

Derudover bliver orbitalrummet mere og mere rodet. Rumaffald er ved at blive en alvorlig bekymring, og konstellationer af Low-Earth Orbit (LEO)-satellitter vokser eksponentielt antallet af genstande omkring vores planet.

Rumbaserede solcelleanlæg ville have flere kvadratkilometer i overflade, hvilket gør dem tilbøjelige til at blive ramt regelmæssigt af rumaffald. Selv mikrometeoritter vil blive et problem, hvis de får tilstrækkelig overflade og tid.

I værste fald ville et større nedslag skabe mere affald, hvilket igen ville skabe mere affald i en katastrofal kaskade, der ville ødelægge de fleste af Jordens satellitter. Dette er et fænomen. kendt som Kessler syndrom.

I øjeblikket ville Kessler syndrom være skadeligt nok, ødelægge telekommunikation, rumbaserede billeder og videnskab, såvel som tidlig varsling af atomvåbendetektionssystemer.

Men hvis en stor del af Jordens energi leveres af orbitale solkraftværker, ville en sådan begivenhed være endnu mere ødelæggende.

Holdbarhed og genbrug

Bortset fra hvis de er placeret i en meget fjern bane, langt fra LEO, har satellitbaner en tendens til at falde ret hurtigt. Så solenergianlæg skal skubbes i højere baner, mod geostationære baner (GEO), hvilket øger omkostningerne, da de kræver mere opsendelseskapacitet.

Dette sætter også spørgsmålstegn ved deres genanvendelse, da disse solpaneler vil forbruge en masse værdifulde og ikke-fornybare ressourcer, inklusive sølv.

Så i det lange løb vil enhver storstilet solenergiinfrastruktur også være nødt til at mestre genbrug af panelerne i stedet for at ødelægge dem ved at holde dem i kredsløb eller styrte tilbage til Jorden.

Endelig er det meget energikrævende at sende materiale i kredsløb. Så kun højeffektive raketter vil gøre processen levedygtig, hvilket gør det muligt for de orbitale solpaneler at "tilbagebetale" den energi, der bruges ikke kun til at fremstille dem, men også til at sende dem i kredsløb.

Energitab

Som vi sagde, får solpaneler i rummet meget mere energi end på jorden. Men de skal også have flere flere trin end jordbaserede systemer, før de kan strømforsyne nettet:

• Jordbaseret: Saml sollys -> konverter DC til AC -> send strøm til nettet.
• Rumbaseret: Saml sollys -> konverter mikrobølger -> konverter mikrobølger tilbage til elektricitet -> konverter DC til AC -> send strøm ind i nettet.

De mange ekstra trin, der involverer nedstrålende mikrobølger, forårsager massive energitab, hvilket øger de maksimale 30-40 % sollys -> effektkonverteringseffektivitet.

"Det system, vi brugte i vores demonstration, havde en effektivitet fra start til slut på omkring 5 %. Det er ikke noget, der ville være operationelt rentabelt, selvom sollyset er gratis. For at et rumbaseret solcelleanlæg kan give mening, skal effektiviteten være omkring mindst 20 %."

Jean-Dominique Coste – Senior Manager hos Airbus Blue Sky

Stabile baner og solvind

Et sidste spørgsmål er, hvordan man styrer solcelleanlæggenes kredsløbsbane.

Solpanelet skal konstant justere sin position for at modtage den maksimale soleksponering. Mikrobølgestrålerne skal konstant omdirigeres for at ramme det rigtige område af Jordens overflade.

På grund af deres lette og maksimerede eksponering for sollys, vil solpanelerne blive skubbet af solvinger og lys. Faktisk er dette tryk fra lys blevet anset for at skabe solsejl til fremdrift af rumskibe.

I forbindelse med et orbitalt solenergianlæg, der skal forblive stabilt, kan dette blive et problem.

Overordnede udsigter for rumfotovoltaik

Meget af fremtiden for rumbaseret solenergi vil afhænge af udviklingen af ​​rumindustrien som helhed. Et par nøglefaktorer skal klikke sammen for at det kan ske:

• Væksten i industrien giver mulighed for skala og innovation for at reducere lanceringsomkostningerne til de nødvendige niveauer.
• Udvikling af en kredsløbs- og/eller cislunær industriel økonomi, i det mindste til vedligeholdelse og genbrug af strømsatellitter.
• Korrekt håndtering af rumaffald og holde kredsløbet i en neutral og fredelig zone.

Alternativ til Photovoltaic Space Solar

Koncentrerede sol- og orbitale spejle

Lyset -> strøm -> mikrobølge -> tilbage til strømsystemet forårsager i sagens natur massive tab, som delvist opvejer det højere soloutput fra at være i rummet.

Dette er en kernekritik af dette koncept, endda omfavnet af ingen andre end Elon Musk så langt tilbage som i 2012

"Lad mig fortælle dig om en af ​​mine kæledyrsdele: rumsolenergi. OK, det dummeste nogensinde.

Og hvis nogen skulle tænke, skulle kunne lide rumsolenergi, burde det være mig. Jeg har et raketfirma og et solcellefirma. Jeg burde være sådan – jeg burde virkelig være med på det, du ved.”

Meget har selvfølgelig ændret sig siden 2012. Priser på solpaneler og lanceringsomkostninger er styrtet. Og behovet for vedvarende energiproduktion er meget større.

Alligevel kan der være et alternativ: direkte reflekterende sollys i stedet for at fange det med solcellepaneler. Dette kunne opnås ved at sætte et kæmpe spejl i kredsløb.

En fordel ved denne metode er, at vi ved, hvordan man bygger ultralette og ultratynde spejle i rummet ved hjælp af aluminiumsfolie. Da materialet kun skal være reflekterende uden elektronik, kan det være meget billigere og lettere per kvadratmeter end en solcelle.

Idéen forkæmpes især af Ben Nowack, grundlægger af Reflect Orbital, University of Glasgow's SOLSPACE (med en bevilling på €2.5 mio. fra European Research Council) og energigigant Engies Laborelec.

Idéen er at drive jordbaserede solfarme i løbet af natten ved at sende sollys mod dem. Så forretningsmodellen ville være at "sælge" sollys til jordvarmeværker.

Et sådant system ville ikke være i stand til at gå gennem skydække, men kunne være en god mulighed for solcellefarme installeret i tørre eller ørkenområder.

Potentielt kan konceptet også booste "klassiske" rumbaserede solcelleanlæg og billigt øge den samlede energi, de modtager, før de sender den ned til Jorden.

I 2018 annoncerede Kina planer om at bruge et sådant spejlsystem til at erstatte natlyset inden 2022. Selvom dette ikke blev gjort, kunne det være en kreativ måde at bruge rumbaseret "solenergi" til at reducere vores energiforbrug om natten, når vedvarende energi underproducerer.

Rumfabrikker

Som forklaret ovenfor er en stor omkostning i rumbaseret solenergi spørgsmålet om at skulle sende hundreder eller tusinder af tons materiale i kredsløb. En løsning på dette problem ville være at producere solpanelerne (eller spejlene) direkte i rummet ved at bruge ressourcer, der allerede er på stedet.

Denne metode ville helt fjerne omkostningerne ved at løfte solenergianlægget i kredsløb fra ligningen. I stedet ville det erstatte det med omkostningerne ved kun at sende det udstyr, der kræves til at skabe en rumbaseret solpanel (eller spejl) fabrik.

En måde at gøre det på ville være at fange asteroider med de rigtige ressourcer, mine dem og direkte bringe kraftværket i kredsløb.

Begrebsmæssigt forsvarligt er dette dog stadig meget spekulativt, da der endnu ikke er opnået nogen form for minedrift af asteroider.

Månebase

Selvom solcelleanlæg produceres i rummet, vil problemerne med at afbalancere solvindens påvirkninger fra rumaffald og genbrug forblive.

Et alternativ ville være at installere solcellestationerne på Månen i stedet for. Energien ville blive opsamlet af massive solfarme bygget på Månen og derefter strålet direkte eller indirekte til Jorden. Mikrobølgestrålerne fra Månen kan også omdirigeres af spejle, da metaller reflekterer mikrobølger.

Kilde: Arizona State University

Sammenlignet med LEO- og GEO-solsatellitter giver dette et par fordele:

• GravityMed 1/6 af Jordens tyngdekraft kan Månen være langt mere venlig til at tilpasse Jordens produktionsproces til rummet end fuldt vægtløse miljøer.
• Perfekt til solenergiUden en atmosfære lider Månens overflade aldrig af vind, skyer, tåge, is, støvstorme, hagl osv. Så energiproduktionen vil være yderst pålidelig og forudsigelig.
• Menneskelig vedligeholdelse: orbitale systemer ville være helt afhængige af robotter til montering, vedligeholdelse og genbrug. I stedet vil de kommende planer for månebaser fra USA såvel som Kina+Rusland give den lokale arbejdskraft, når robotter ikke er nok.
• Ressourcer: Månen er et massivt himmellegeme, der sandsynligvis indeholder masser af ressourcer. Dette gør den til en bedre kandidat til en rumfabrik end den ubeviste idé om asteroide-minedrift.

Silicium, aluminium og jern kan udvindes kemisk fra månens jord til fremstilling af solceller. Sporstoffer kan bringes fra Jorden til doping af solceller.

Det anslås, at et kilogram materialer, der transporteres fra Jorden til månen, vil resultere i levering af 200 gange så meget elektrisk energi til Jorden som et kilogram af en soldrevet satellit.

David R. Criswell

Idéen har dog nogle begrænsninger.

Det er bemærkelsesværdigt, at Månen har en 28-dages dag/nat-cyklus, hvilket tvinger et sådant koncept til at stole på en række kraftværker spredt ud på hele Månens overflade (eller kredsløbsspejle) for at producere et kontinuerligt output.

Helium 3, Fusion og Moon Power Plants

En anden diskussion om fremtidig energi, der involverer Månen, er dens aflejring af Helium-3. Det meget sjældne grundstof på Jorden teoretisk kunne drive en ultraeffektiv form for nuklear fusion.

I teorien kan dette gøre rumudforskning og minedrift til et nøgleelement i vores fremtidige energiforsyning. I praksis er fusion stadig på et eksperimentelt stadium.

Lignende kilder til sjældne isotoper af brint, helium og andre grundstoffer, for eksempel i gasgiganten Jupiter og Saturn, kunne spille en lignende rolle i det lange løb.

Månen kunne også forestilles som et sted for et potentielt farligt, men yderst produktivt kraftsystem (især nukleart), hvilket fjerner konsekvensen af ​​et katastrofalt svigt fra Jorden. Imidlertid kan energitabet ved at sende en sådan strømkilde tilbage, såvel som omkostningerne ved at bygge i rummet, gøre det urentabelt.

Solar Space selskaber

1. Space Solar

Space Solar er et britisk firma, der ønsker at udvikle en 2GW rumsolsatellit, CASSIOPeiA. Dette ville være langt en af ​​de største strukturer nogensinde bygget af menneskeheden, hvilket gør nogle af de højeste skyskrabere små i sammenligning.

Kilde: Space Solar

CASSIOPeiA ville indeholde 60,000 solpaneler, veje 2,000 tons og kredse i geosynkron højde.

Krafttransmission ville blive udført ved hjælp af et skiftende fasearray for at sigte energistrålen. Jordstationen skal være 5 km i diameter. Power-beaming-teknologien er indtil videre blevet demonstreret på Jorden med 30kW effekt. Dette blev opnået takket være HARRIER, den første 360° trådløs kraftoverførsel, der ikke kræver nogen bevægelig del, en nøglefaktor for høj pålidelighed.

Konceptet med strømsatellitten ville være afhængig af 2 solreflektorer, der sender sollyset tilbage til det centrale solfangersegment.

Kilde: Space Solar

Programmet forventes at koste £17B for den første version, med en pris på £3.6B for efterfølgende iterationer. Dette ville bringe det op på 1/4 af omkostningerne ved et tilsvarende atomkraftværk med en kapacitet på 2 GW, en rimelig sammenligning i betragtning af kraftværkets basisbelastningsprofil.

2. Reflektere Orbital

Som nævnt ovenfor søger Reflect Orbital ikke at generere strøm i kredsløb. I stedet sigter dens forretning på at "sælge sollys efter mørkets frembrud" til jordbaserede solcelleselskaber.

Med toppriser ofte lige efter solnedgang, når folk er hjemme igen, men vedvarende energi offline, kan dette være en god strategi. Derudover kan satellit-solstrålen let omdirigeres til forskellige steder, hvilket giver mulighed for arbitrage mellem forskellige priser mellem lande eller ugunstigt vejr i et område.

Dette gør det til et interessant firma at følge i tilfælde af, at konvertering af sollys til elektricitet, derefter mikrobølger og derefter tilbage til elektricitet er en for ineffektiv proces til at konkurrere med jordbaseret solenergi.

Indtil videre udvikler virksomheden sine satellitter og samler penge ind. For at hjælpe med at forklare konceptet bedre, lavede de også en demo med en 3 km høj luftballon, der gik viralt.

Kilde: Reflektere Orbital

Virksomheden søger at teste en prototype inden 2025. Satellitten ville kun veje 35 pund (16 kg) hver og ville blive udstyret med mylarspejle på 33 gange 33 meter store, der foldes ud én gang i kredsløb.

Reflect Orbital-planer kan være mindre højteknologiske end et komplet orbital- eller månebaseret solsatellitnetværk. Men måske kunne dette være en styrke, da det i det væsentlige kun bruger helt kendte teknologier på en kreativ måde, allerede mestret i årtier. Dette kan i nogen grad mindske projektets risiko.