Rumbaserede energiløsninger til uendelig ren energi

Fremmer vedvarende energi højere

Den aktuelle indsats for at afkarbonisere og elektrificere vores energisystemer er i høj grad afhængig af vedvarende energikilder, især vind og sol. Geotermisk energi og atomkraft kan også bidrage.

Desværre lider hver af disse løsninger af visse begrænsninger:

• Geotermisk energi er stadig forholdsvis uprøvet, når det gælder produktion i stor skala, og den afhænger af ujævne lokale varmeressourcer.
• Atomkraft er upopulær, producerer atomaffald og kræver store upfront-investeringer. Dette hæmmer udbredelsen, selvom de fleste af disse problemer måske kan løses af fjerde‑generationens atomkraftsystemer.
• Vedvarende energikilder lider af intermitterende produktion, hvilket tvinger elnettet til også at investere massive summer i batterier og andre former for energilagring.

Når det gælder solenergi, synes intermitterende produktion at være en uundgåelig egenskab, da Jorden er i mørke halvdelen af tiden. For at forværre problemet kan skydekket drastisk reducere strømproduktionen i uger eller endda måneder i visse regioner af verden, og det er før vi overhovedet diskuterer problemer forårsaget af støv eller sne.

Hvad hvis vi for at undgå nat og klimaproblemer placerede vores solenergi‑base i rummet? Hvordan ville det fungere? Og er der en anden måde at forsyne Jordens civilisationer fra rummet på?

Rum‑baseret solenergi

Den første nøglefunktion ved rum‑baseret sol er, at når sol‑satellitter kredser om Jorden, kan de placeres i en bane, der aldrig er i Jordens skygge, og dermed producere 24/7. Dette fordobler ikke kun produktionen, men fjerner også behovet for batterier i jordbaserede solenergi‑anlæg.

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

En anden faktor er, at atmosfæren absorberer en stor del af Solens lys, selv uden skyer. Jordens hældning og kugleform reducerer også mængden af sol, der rammer jordens overflade væk fra ækvatorialområdet.

Rum‑baserede solpaneler lider ikke under nogen af disse begrænsninger. Takket være alle disse kombinerede faktorer, kan et solpanel i kredsløb producere op til 40 gange mere end et på jordens overflade.

Hvordan fungerer det?

Vi ved allerede, hvordan man producerer solenergi i rummet, da højtydende solpaneler allerede driver stort set alle satellitter og den internationale rumstation (ISS). I teorien skulle vi blot sende mange flere af sådanne solpaneler op i kredsløb og sende energien tilbage til Jorden.

Source: Solar.com

Overraskende nok er delen med at sende strømmen tilbage ikke så vanskelig, 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 antennetype kaldet en rectenna.

Alternativt kunne strømmen også sendes tilbage med laserstråler.

Source: ESA – European Space Agency

At sende en enorm mængde energi ned til Jordens overflade kan lyde lidt bekymrende. Det fremkalder ofte billedet af en science‑fiction‑superskurk med en dødsstråle. I praksis vil en sådan stråle dog være energirig, men langt fra kraftig nok til at udgøre en fare for overfladen.

Det skal bemærkes, at en af fordelene ved dette system er, at den DC‑kraft, som solpanelerne skaber, kan bruges direkte til at sende den ned, mens AC‑kraft kun genereres på jorden for at injicere elektriciteten i elnettet.

Hvorfor nu?

Solomkostninger

At producere strøm fra orbitale sol‑anlæg er en gammel idé. Men det er først nu, at den begynder at se ud til at kunne blive levedygtig.

Den første grund er den stigende effektivitet og faldende omkostninger for solpaneler, som er de samme faktorer, der gjorde dem til en levedygtig mulighed på jorden.

Source: News Channel 3

Yderligere teknologisk fremgang kan få konverteringseffektiviteten til at stige yderligere. I øjeblikket har de almindeligt anvendte jordbaserede solpaneler en effektivitet på 20‑23 %. De, der bruges i rummet, ligger ofte på omkring 30 %, da den ekstra omkostning kompenseres af mindre vægt, der skal transporteres til kredsløb, med yderligere gevinster forventet.

“Nuværende paneler, der anvendes i rummet, opnår effektivitet på omkring 30 % i omdannelsen af sollys til elektricitet, og inden for de næste 20 år forventer vi, at de når 40 %”

Nicola Rossi, Head of Innovation at Enel Group

Opsendelsesomkostninger

Den anden store faktor er de faldende omkostninger ved at nå kredsløb, næsten udelukkende drevet af SpaceX’s resultater med genanvendelige raketter. Disse omkostninger er allerede blevet reduceret med en faktor ti og forventes at blive endnu billigere med lanceringen af Starship og masseproduktionen af den største raket i historien.

Source: Ark Invest

Da opsendelsesomkostningerne var £7.716 per kilogram, svarede det til cirka £154 per watt i “installationsomkostninger”, sammenlignet med kun £2‑1,5 på jorden. Men hvis opsendelsesomkostningerne kan falde lavt nok, gør det rum‑baseret solenergi økonomisk levedygtig. Og Elon Musk sigter mod kun $100/kg på længere sigt, takket være fuld genanvendelighed af den massive Starship‑last.

Begrænsninger ved rum‑baseret solenergi

Pris og opsendelsesomkostninger

Som forklaret ovenfor er rum‑baseret solenergi kun levedygtig, hvis opsendelsesomkostningerne falder betydeligt. Selvom dette kan være ved at ske, er det uklart, hvor hurtigt en yderligere 10‑gange reduktion i orbital opsendelsesomkostning kan opnås.

Dette kan betydeligt forsinke udbredelsen af rum‑baseret sol, idet de fleste store prototype‑projekter (nær MW‑skala) først forventes omkring 2025‑2030 i bedste fald. En væsentlig indvirkning vil først opnås, når sådanne systemer bygges 1.000‑gange større på GW‑niveau.

Orbitalt rod

En anden bekymring er den reelle holdbarhed af solpanelerne i kredsløb. Rummet er et barskt, høj‑strålingsmiljø, og panelerne vil nedbrydes over tid. Det samme gælder sandsynligvis for elektroniske komponenter som mikrobølge‑antennerne.

Derudover bliver den orbitale plads stadig mere overfyldt. Rummets affald bliver et alvorligt problem, og konstellationer af Low‑Earth‑Orbit‑satellitter (LEO) vokser eksponentielt i antal omkring vores planet.

Rum‑baserede sol‑anlæg vil strække sig over flere kvadratkilometer, hvilket gør dem udsatte for regelmæssige sammenstød med rumaffald. Selv mikrometeoritter vil blive et problem, hvis de får tilstrækkelig overflade og tid.

I et værst tænkeligt scenarie vil et stort sammenstød skabe mere affald, som igen skaber mere affald, i en katastrofal kaskade, der ødelægger de fleste af Jordens satellitter. Dette fænomen er kendt som Kessler‑syndromet.

Aktuelt ville Kessler‑syndromet allerede være skadeligt nok, da det ville ødelægge telekommunikation, rum‑baseret billeddannelse og videnskab samt tidlige advarselssystemer for atomvåben.

Men hvis en stor del af Jordens energiforsyning leveres af orbitale sol‑anlæg, ville en sådan hændelse være endnu mere ødelæggende.

Holdbarhed og genanvendelse

Medmindre de placeres i en meget fjern bane, langt fra LEO, har satellit‑baner en tendens til hurtigt at falde. Så sol‑kraftværker vil skulle placeres i højere baner, mod geostationære baner (GEO), hvilket øger omkostningerne, da de kræver mere opsendelseskapacitet.

Dette stiller også deres genanvendelse i tvivl, da disse solpaneler vil forbruge mange dyre og ikke‑fornyelige ressourcer, herunder sølv.

Derfor vil enhver stor‑skala sol‑kraftinfrastruktur på lang sigt også skulle mestre genanvendelse af panelerne i stedet for at destruere dem ved at holde dem i kredsløb eller lade dem styrte ned på Jorden.

Endelig er opsendelse af materiale til kredsløb meget energikrævende. Så kun høj‑effektive raketter vil gøre processen levedygtig, så de orbitale solpaneler kan “betale sig selv tilbage” ved at kompensere for den energi, der er brugt både på fremstilling og opsendelse.

Energitab

Som vi har sagt, modtager solpaneler i rummet langt mere energi end på jorden. De skal dog også igennem flere trin end jordbaserede systemer, før de kan levere strøm til nettet:

• Jordbaseret: indsamle sollys → konvertere DC til AC → sende strøm ind i nettet.
• Rum‑baseret: indsamle sollys → konvertere til mikrobølger → konvertere mikrobølger tilbage til elektricitet → konvertere DC til AC → sende strøm ind i nettet.

De ekstra trin, der involverer at sende mikrobølger ned, medfører massive energitab, som lægger sig oven på den maksimale 30‑40 % sol‑til‑strøm‑konverterings‑effektivitet.

“Systemet, vi brugte i vores demonstration, havde en ende‑til‑ende‑effektivitet på omkring 5 %. Det er ikke noget, der ville være operationelt levedygtigt, selvom sollyset er gratis. For at et rum‑baseret sol‑kraftværk skal give mening, skal effektiviteten ligge på mindst omkring 20 %.”

Jean‑Dominique Coste – Senior Manager at Airbus Blue Sky

Stabile baner og sol‑vind

Et sidste spørgsmål er, hvordan man styrer den orbitale bane for sol‑anlæggene.

Solpanelerne skal konstant justere deres position for at modtage maksimal sollys. Mikrobølge‑strålerne skal konstant omdirigeres, så de rammer den rette del af Jordens overflade.

På grund af deres letvægt og maksimerede eksponering for sollys, vil solpanelerne blive skubbet af sol‑sejl og lys. Faktisk er dette lys‑tryk blevet overvejet som en metode til at skabe sol‑sejl, der kan drive rumskibe.

I konteksten af et orbitalt sol‑kraftværk, der skal forblive stabilt, kan dette blive et problem.

Samlede udsigter for rum‑baserede fotovoltaiske systemer

Mange af fremtiden for rum‑baseret solenergi vil afhænge af udviklingen af rumindustrien som helhed. Flere nøglefaktorer skal falde på plads for at det kan ske:

• Væksten i industrien muliggør skala og innovation, så opsendelsesomkostningerne kan falde til de nødvendige niveauer.
• Udvikling af en orbital og/eller cislunar industriel økonomi, i det mindste for vedligeholdelse og genanvendelse af kraft‑satellitter.
• Korrekt håndtering af rumaffald og at holde kredsløbet som en neutral og fredelig zone.

Alternativ til fotovoltaisk rum‑sol

Koncentreret sol og orbitale spejle

Lys → strøm → mikrobølger → tilbage til strøm‑systemet forårsager i sig selv massive tab, som delvist udligner den højere soloutput fra at være i rummet.

Dette er en central kritik af konceptet, selv omfavnet af ingen andre end Elon Musk allerede i 2012

“Lad mig fortælle dig om et af mine kæledyrsstykker: rum‑solenergi. OK, den dummeste ting nogensinde.

Og hvis nogen skulle tænke, at de kan lide rum‑solenergi, så bør det være mig. Jeg har et raketfirma og et sol‑firma. Jeg burde virkelig være med på den, ved du.”

Selvfølgelig har meget ændret sig siden 2012. Priserne på solpaneler og opsendelsesomkostninger er faldet drastisk. Og behovet for vedvarende baseload‑kraftproduktion er langt større.

Alligevel kan der være et alternativ: at reflektere sollys direkte i stedet for at indfange det med fotovoltaiske paneler. Dette kunne opnås ved at placere et gigantisk 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 fotovoltaisk celle.

Ideen bliver især fremmet af Ben Nowack, grundlægger af Reflect Orbital, University of Glasgow’s SOLSPACE (med en €2,5 M‑grant fra European Research Council) og energigiganten Engie’s Laborelec.

Ideen er at forsyne jordbaserede sol‑farme om natten ved at sende sollys mod dem. Så forretningsmodellen ville være at “sælge” sollys til jordbaserede sol‑udbydere.

Et sådant system ville ikke kunne trænge igennem skyer, men kunne være en god mulighed for sol‑farme installeret i tørre eller ørkenområder.

Potentielt kunne konceptet også booste “klassiske” rum‑baserede fotovoltaiske anlæg ved billigt at 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 gadebelysning om natten inden 2022. Selvom dette ikke blev realiseret, kunne det være en kreativ måde at bruge rum‑baseret “sol” på til at reducere vores energiforbrug om natten, når vedvarende energikilder under‑producerer.

Rum‑fabrikker

Som forklaret ovenfor er en stor omkostning ved rum‑baseret solenergi behovet for at sende hundredvis eller tusinder af tons materiale i kredsløb. En løsning på dette problem ville være at producere solpanelerne (eller spejlene) direkte i rummet ved hjælp af ressourcer, der allerede findes på stedet.

Denne metode ville fjerne omkostningen ved at løfte sol‑kraftværket ind i kredsløb fra ligningen. I stedet ville den blive erstattet af omkostningen ved kun at sende udstyret, der er nødvendigt for at skabe en rum‑baseret sol‑panel‑ (eller spejl‑) fabrik.

En måde at gøre dette på ville være at fange asteroider med de rette ressourcer, udvinde dem og direkte producere kraftværket i kredsløb.

Konceptuelt lyder det fornuftigt, men det er stadig meget spekulativt, da ingen form for asteroid‑minedrift nogensinde er blevet gennemført.

Månebase

Selv hvis sol‑kraftværker produceres i rummet, vil problemerne med at balancere sol‑vind‑påvirkninger fra rumaffald og genanvendelse stadig bestå.

Et alternativ ville være at installere sol‑stationerne på Månen i stedet. Energien ville blive indsamlet af massive sol‑farme bygget på Månen og derefter sendt direkte eller indirekte til Jorden. Mikrobølge‑strålerne fra Månen kan også omdirigeres af spejle, da metaller reflekterer mikrobølger.

Source: Arizona State University

Sammenlignet med LEO‑ og GEO‑sol‑satellitter giver dette nogle fordele:

• Gravitation: med 1/6 af Jordens tyngdekraft kan Månen være meget mere venlig for at tilpasse Jordens fremstillingsprocesser til rummet end fuldstændigt vægtløse miljøer.
• Perfekt til sol: uden 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 skulle stole fuldstændigt på robotter til samling, vedligeholdelse og genanvendelse. I stedet vil de kommende planer for måne‑baser fra USA samt Kina+Rusland give den lokale arbejdskraft, når robotter ikke er tilstrækkelige.
• Ressourcer: Månen er en massiv himmellegeme, sandsynligvis indeholdende mange ressourcer. Dette gør den til en bedre kandidat for en rum‑fabrik end den uprøvede idé om asteroid‑minedrift.

Silicium, aluminium og jern kan kemisk udvindes fra månejord for fremstilling af solceller. Sporstoffer kan bringes fra Jorden for doping af solceller.

Det anslås, at et kilogram materiale transporteret fra Jorden til Månen vil resultere i levering af 200‑gange så meget elektrisk energi til Jorden som et kilogram af en sol‑drevet satellit.

David R. Criswell

Dog har idéen nogle begrænsninger.

Bemærkelsesværdigt har Månen en 28‑dages dag‑/nat‑cyklus, hvilket tvinger et sådant koncept til at stole på en række kraftværker spredt over hele Månens overflade (eller orbitale spejle) for at producere en kontinuerlig output.

Helium‑3, fusion og måne‑kraftværker

En anden diskussion om fremtidig energi, der involverer Månen, er dens forekomst af Helium‑3. Det meget sjældne grundstof på Jorden kunne teoretisk drive en ultra‑effektiv form for kernfusion.

I teorien kunne dette gøre rum‑udforskning og minedrift til en nøglefunktion i vores fremtidige energiforsyning. I praksis er fusion stadig på et eksperimentelt stadium.

Lignende kilder til sjældne isotoper af hydrogen, helium og andre elementer, for eksempel i gasgiganterne Jupiter og Saturn, kunne på længere sigt spille en lignende rolle.

Månen kunne også forestilles som et sted for et potentielt farligt men yderst produktivt kraftsystem (især nukleart), som fjerner konsekvensen af en katastrofal fejl fra Jorden. Dog kan energitab ved at sende sådan en kraftkilde tilbage, samt omkostningerne ved at bygge i rummet, gøre det urentabelt.

Sol‑rum‑virksomheder

1. Space Solar

Space Solar er en britisk virksomhed, der ønsker at udvikle en 2 GW rum‑sol‑satellit, CASSIOPeiA. Dette ville være langt en af de største strukturer, der nogensinde er bygget af mennesket, og gøre nogle af de højeste skyskrabere små i sammenligning.

Source: Space Solar

CASSIOPeiA vil indeholde 60.000 solpaneler, veje 2.000 ton og kredse i geostationær højde.

Strømoverførsel vil ske ved brug af en fase‑array, der kan ændre retning for at målrette energistrålen. Jordstationen skal have en diameter på 5 km. Strøm‑beaming‑teknologien er indtil videre demonstreret på Jorden med 30 kW strøm. Dette blev opnået takket være HARRIER, den første 360° trådløse strømoverførsel, der ikke kræver bevægelige dele, en nøglefaktor for høj pålidelighed.

Konceptet for strømsatellitten vil basere sig på 2 sol‑reflektorer, der sender sollys tilbage til den centrale samler‑segment.

Source: Space Solar

Programmet forventes at koste £17 milliarder for den første version, med en pris på £3,6 milliarder for efterfølgende iterationer. Dette svarer til 1/4 af omkostningerne ved et tilsvarende atomkraftværk på 2 GW kapacitet, en rimelig sammenligning, når man tager baseload‑profilen for kraftværket i betragtning.

2. Reflect Orbital

Som nævnt ovenfor søger Reflect Orbital ikke at generere strøm i kredsløb. I stedet er deres forretningsmodel at “sælge” sollys efter mørkets frembrud til jordbaserede sol‑virksomheder.

Med toppriser ofte lige efter solnedgang, når folk er hjemme, men vedvarende energikilder er offline, kan dette være en god strategi. Derudover kan satellit‑solstrålen let omdirigeres til forskellige lokationer, hvilket muliggør arbitrage mellem forskellige priser mellem lande eller ved ugunstigt vejr i et område.

Dette gør dem til en interessant virksomhed at følge, i tilfælde af at konverteringen af sollys til elektricitet, derefter til mikrobølger, og tilbage til elektricitet viser sig at være for ineffektiv til at konkurrere med jordbaseret sol.

Indtil videre udvikler virksomheden sine satellitter og indsamler kapital. For at forklare konceptet bedre lavede de også en demo med en varmluftsballon i 3 km højde, som gik viralt.

Source: Reflect Orbital

Virksomheden planlægger at teste en prototype inden 2025. Hver satellit vil veje kun 35 pund (16 kilogram) og vil være udstyret med mylar‑spejle på 33 fod × 33 fod (9,9 m × 9,9 m), som udfolder sig, når de er i kredsløb.

Reflect Orbital’s planer kan være mindre high‑tech end et fuldt orbitalt eller Måne‑baseret sol‑satellitnetværk. Men måske kan dette være en styrke, da det i bund og grund kun bruger fuldt kendte teknologier på en kreativ måde, som allerede er mestret i årtier. Dette kan på en måde reducere projektets risiko.