Auringon teknologian edistysaskeleet tekevät avaruuspohjaiset ratkaisut mahdollisiksi

Jo jonkin aikaa on käynnissä laaja tutkimus tavoista kerätä ja hyödyntää avaruuspohjaista aurinkoenergiaa. Tiedemiehet ja teknologiankin asiantuntijat uskovat, että avaruuspohjainen aurinkoenergia voisi olla tehokas lisä kestävien energialähteiden joukkoon. 

Toiminnallisesti järjestelmässä olisi energian keruu- ja keräyspaneelit kiertoradalla, jotka lähettäisivät aurinkoenergiaa takaisin maapallolle sijoitetuille vastaanottajille. Koska se sisältää avaruuden, maapallon ja siirto-reitin näiden kahden pisteen välillä, sen on perustuttava kehittyneisiin teknologiaratkaisuihin. 

Lupaavasti maailmanlaajuiset aurinkoteknologian edistysaskeleet ovat tehneet avaruuspohjaisen aurinkoenergian tuotannosta mahdollisen. Ennen kuin syvennymme niihin, katsotaan nopeasti, mitä avaruuspohjaiset aurinkoenergiaratkaisut tarkoittavat ja mitkä niiden edut ovat. 

Avaruuspohjainen aurinkoenergia ja sen edut

Yhdysvaltain energiaministeriön esittämien tietojen mukaan jokaisella maapallon tunnilla saamme enemmän aurinkoenergiaa kuin voimme käyttää vuodessa. Lähes 30 % tästä energiasta palaa hyödyntämättömänä avaruuteen ilmakehän kautta. Tämä energia voidaan kerätä ja käyttää tehokkaasti, jos saamme käyttöön vahvat avaruuspohjaiset aurinkoenergiamekanismit.

Tässä järjestelmässä satelliittipohjaiset aurinkopaneelit voivat kerätä ja siirtää enemmän energiaa kuin maanpinnalla olevat aurinkopaneelit. Ne toimivat paremmin, koska ne hyötyvät avaruudessa olemisesta. Yhdysvaltain energiaministeriön kuvauksen mukaan nämä:

“Aurinkopaneeleilla varustetut, energiaa siirtävät satelliitit keräävät voimakasta, katkeamatonta aurinkosäteilyä.” 

Toimitus on katkeamatonta, koska avaruudessa ei ole pilviä eikä yötä. 

Teknologia sisältää valtavien peilien käyttöönoton, jotka heijastavat suuria määriä aurinkosäteitä pienemmille aurinkokeräimille, jotta ne voidaan langattomasti lähettää Maahan turvallisesti ja hallitusti joko mikroaaltosäteenä tai laserisäteenä. 

Koska tämä prosessi sisältää kehittynyttä teknologiaa, se houkuttelee innovatiivisia ratkaisuja ympäri maailmaa. NASA on nyt julkaissut raportin avaruuspohjaisesta aurinkoenergiasta varustaakseen itsensä ‘tiedolla, jota se tarvitsee määrittääkseen, miten se voi tukea tämän tutkimusalan kehitystä.’

Raportti pyrkii arvioimaan parametreja, joilla on ratkaiseva rooli avaruuspohjaisen aurinkoenergian kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi tekemisessä, jonka lopullinen tavoite on saavuttaa nettonollapäästöt. 

NASA:n tunnistamia teknologisia pullonkauloja, joiden parissa alalla toimivat tutkijat ja teknologiakonsultit voivat työskennellä, ovat seuraavat:

• Heidän täytyy löytää tapoja suurten järjestelmien kokoamiseen ja ylläpitoon kiertoradalla.
• Tutkimusta tarvitaan, jotta nämä järjestelmät toimisivat autonomisesti ja niissä olisi tehokas energiansäteilyn siirto Maahan.
• NASA:n raportti korostaa myös, että ennen avaruuspohjaisten aurinkoenergisysteemien käyttöönottoa on tärkeää käsitellä niiden laukaisun ja rakentamisen kustannuksia. Tämä johtuu siitä, että kaiken materiaalin lähettäminen avaruuteen vaatisi useita jatkuvia tehtäviä infrastruktuurin kuljettamiseksi kiertoradalle.

NASA:n raportin mukaan avaruuspohjaiset aurinkoenergisysteemit voivat tulla täysin tuottaviksi ja operatiivisiksi vuoteen 2050 mennessä. Raportin kautta on noussut esiin joitakin merkittäviä edistysaskeleita tällä alalla. Esimerkiksi se muistutti JAXA:n tiedemiehistä, jotka osoittivat, että energian langaton siirto tarkasti mikroaaltoina merkittävän matkan yli on mahdollista, ja että se voidaan muuttaa käyttökelpoiseksi sähköksi.

Jatkaen tämän saavutuksen ydintä, Caltechin tiedemiehet maaliskuussa 2023 kehittivät Space Solar Power Demonstratorin (SSPD-1) ensimmäiseksi avaruusalukseksi, joka langattomasti siirtää avaruudessa kerättyä aurinkoenergiaa Maahan.

NASA on myös antanut joitakin arvioita avaruuspohjaisen aurinkoenergian taloudellisesta toteutettavuudesta. Jotkut pitkään alaan tiiviisti liittyneet asiantuntijat ovat myös haastaneet nämä arviot. Kuitenkin hyötyjen kiistämistä, joita tämä energian tuotantojärjestelmä lupaa, on lähes olemassa. Se voisi auttaa katastrofien avustamisessa, kaukaisten antureiden virrannojaamisessa ja poistaa perinteisen energian tuotantojärjestelmämme ja sen toimitusketjun nykyiset pullonkaulat.

Kun tarkastellaan sen hyötyjä, kaikkien kehittyneiden maiden hallitukset ovat alkaneet investoida siihen. Suuret yritykset, joilla on resurssit investoida, kuten Airbus ja Northrop Grumman (NOC ), ovat myös työskennelleet sen parissa väsymättömästi.

Tarkastelemme nyt joitakin heidän saavutuksiaan tulevissa segmentissä. On kuitenkin pidettävä mielessä, että kyseessä on kehittyvä alue ja monet hankkeet ovat edelleen prototyyppivaiheessa.

#1. Airbus Power Beaming

Yksi merkittävimmistä yrityksistä, joka työskentelee aurinkoteknologian edistämiseksi avaruuspohjaisten ratkaisujen mahdollistamiseksi, on Airbus. Sen Power Beaming -teknologia, jonka yrityksen Central Research & Technology ja Blue Sky -osastot ovat kehittäneet, on tehnyt uskottavia demonstraatioita siitä, miten tämä voisi olla pelin muuttaja avaruuspohjaisen aurinkoteknologian kentässä. 

Jean-Dominique Costen mukaan, joka on vastuussa Power Beaming -teknologian kehittämisestä yhdessä Yoann Thuexin ja heidän kollegojensa kanssa:

“Teknologian potentiaali on kerätä auringonvaloa ja sitten siirtää se langattomasti.”

Nämä tiedemiehet uskovat, että tämä energiaratkaisu voisi riittävästi toimittaa sähköä kaupungeille, teollisuuksille, kotitalouksille ja lentokoneille.

Airbusin teknologiakehittäjät esittelivät ensimmäisen kerran Power Beaming -tekniikan yrityksen X-Works Innovation Factory -tilassa 27. syyskuuta 2022. Vaikka se toteutettiin pienemmässä mittakaavassa, demonstraatio pystyi riittävän selvästi selittämään, mitä tarvittiin Power Beaming -tekniikan toimimiseksi.

Coste, Thueux ja heidän kollegansa käyttivät mikroaaltojen siirtoa välittääkseen vihreää energiaa kahden pisteen välillä, jotka edustivat ‘Avaruutta’ ja ‘Maata’. Näiden kahden pisteen välinen etäisyys oli 36 metriä. Demonstraatio tuotti myös vihreää vetyä mallikaupungin virittämiseen.

Demonstraation jälkeen Yoann Thueux sanoi:

“Nyt kun olemme onnistuneesti testanneet tulevan avaruuspohjaisen aurinkoenergisysteemin keskeisiä osia pienessä mittakaavassa ensimmäistä kertaa, olemme valmiita viemään Power Beaming -tekniikan seuraavalle tasolle.”

Airbus odottaa tämän teknologian toteutuvan pian. Se uskoo, että ensimmäiset toimivat Power Beaming -prototyypit tulevat olemaan käytettävissä 2030-luvun alkupuolella.

Sen lopullisessa sovelletussa muodossa teknologia sisältäisi aurinkopaneelin, joka on sijoitettu geostaattiseen kiertorataan, noin 36 000 km:n korkeudelle Maasta. Tämä aurinkopaneeli yhdistetään maassa olevaan saman kokoiseen aurinkopaneeliin.

Avaruudessa kerätty energia siirrettäisiin alas alueelle, jossa olisi useita antenneja. Nämä antennit keräisivät säteet energian keräämiseksi ja sähköksi muuntamiseksi.

Kun tämä järjestelmä saavuttaa tietyn mittakaavan, sen tuottaman energian kustannus olisi sama kuin maapallon suurten energiahankkeiden, jotka perustuvat ydinvoimaan, öljyyn tai muihin uusiutuviin energialähteisiin, kustannus. Arvioiden mukaan yksi geostaattinen aurinkovoimala tuottaisi jopa kaksi gigawattia sähköä. 15. helmikuuta 2024, Airbus julkaisi täyden vuoden 2023 tuloksensa, raportoiden vuositulot 65,4 miljardia, ja säädetyn EBIT:n 5,8 miljardia euroa.

#2. Northrop Grumman

Toinen merkittävä globaali toimija, joka on suorittanut tarvittavat testit vahvistaakseen aurinkotilan teknologian kyvykkyytensä, on Northrop Grumman. Yritys osoitti menestyksekkäästi kykynsä säteillä radiofrekvenssienergiaa eri antenneihin ohjaamalla säde. Se on varma, että se kehittää prototyyppinsä vuoteen 2025 mennessä.

Tämä prototyyppi osoittaisi yrityksen kyvyn säteillä RF-energiaa alas planeetalle. Teknologia on kehitetty Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR).

Tara Theretin, SSPIDR:n ohjelmajohtajan, mukaan:

“Nyt on kyse vain laitteiston rakentamisesta, testaamisesta ja integroimisesta haastavassa aikataulussa.”

Tässä prosessissa tehtävään lisätyöhön kuuluu elektronisten komponenttien pienentäminen ja ‘sandwich-laattojen’ määrän kasvattaminen. Sandwich-laatat ovat itse asiassa fotovoltaita soluja, jotka keräävät aurinkoenergiaa ja siirtävät voiman seuraavalle kerrokselle, ja niissä on komponentteja, jotka mahdollistavat aurinko-RF-muunnoksen ja auttavat muodostamaan säteet.

Yritys valmistaa myös tarvittavat lentolaitteet järjestelmän kokoamiseksi ja sen laukaisemiseksi yrityksen ESPAStar-alustalla. ESPAStar-alusta on satelliittibussi, joka tarjoaa hyötykuormille tarvittavan työntövoiman, energian, asennonohjauksen ja viestinnän.

Työnsä validoinnin yhteydessä Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimuslaboratorio kannusti Northrop Grummanin ponnistuksia 100 miljoonan dollarin sopimuksella vuonna 2018, jonka avulla se kehittäisi hyötykuorman, joka demonstroi prototyyppisen avaruuspohjaisen aurinkoenergisysteemin keskeisiä komponentteja.

Ilmavoiman viranomaiset pyrkivät katalysoimaan kehitystyötä, joka vaaditaan prototyyppisen avaruuspohjaisen järjestelmän rakentamiseksi, joka voisi energisoida Yhdysvaltain sotilastukikohdat aurinkoenergialla.

Kaiken kaikkiaan korostaen avaruuspohjaisten aurinkoteknologiaratkaisujen potentiaalia tulevaisuudessa, Tara Theret sanoi:

“Avaruuspohjainen aurinkoenergian säteilyllä on potentiaali tarjota energiaa missä tahansa maapallolla milloin tahansa. Tämä teknologia voisi tehdä energian saataville syrjäisille paikoille, jotka tarvitsevat lääketieteellisiä ja viestintälaitteita.”

Northrop Grumman rekisteröi kokonaismyynnin 36,6 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna, joka päättyi 31. joulukuuta 2022. Space Systems -segmentin tuotto oli lähes 12,3 miljardia dollaria, merkittävä nousu edellisen vuoden 10,6 miljardiin dollariin verrattuna. Vuoden 2022 12,3 miljardin dollarin tulosta 94 % tuli Yhdysvaltain hallitukselta, kun taas loput 3 %, 2 % ja 1 % tulivat kansainvälisistä myynneistä, muihin asiakkaisiin tehtävistä myynneistä ja segmenttien välisten myyntien osalta.

#3. CESI

CESI, jonka pääkonttori on Milanissa, Italiassa, omaa kolmen vuosikymmenen kokemuksen tutkimuksesta, kehittämisestä ja avaruussovelluksiin erittäin tehokkaiden aurinkokennojen valmistuksesta. Vielä tärkeämpää on, että se on yksi maailman kysytyimmistä moniyhteyskennojen toimittajista, jotka käyttävät galliumarsenidia ja indiumgalliumfosfidia.

CESI:lla on valikoima kolmikytkentäisiä avaruuskennoja. Nämä kennot, galliumarsenidin ja indiumgalliumfosfidin lisäksi, sisältävät myös germaniumia. Nämä kennot osoittautuvat tehokkaiksi matalan kiertoradan (LEO) ja geostaattisen kiertoradan satelliiteille. Nämä tuotteet täyttävät myös vaaditut ECSS E ST20-08C -standardit. CESI on nyt matkalla lanseeraamaan nelikytkentäisiä kennoja, joilla on korkeampi hyötysuhde kuin kolmikytkentäisillä.

Tulevaisuudessa CESI pyrkii tarjoamaan laajan valikoiman avaruusaurinkokennoja, jotka täyttävät kaikki avaruusohjelmien vaatimukset. Tähän mennessä CESI:n ponnistelut ovat johtaneet yli 200 000 aurinkokennon valmistukseen, jotka virvoittavat yli 70 siviilisatelliittia asiakkaille 25 maassa.

CESI:lla on oma patentoitu teknologia aurinkokennojen valmistamiseen Milanissa. Vuosien varrella se on rakentanut tiiviin ja syvän verkoston monien kansainvälisten avaruusvirastojen ja toimijoiden kanssa.

Kuten Northrop Grumman, myös CESI tekee yhteistyötä Italian kansallisen hallituksen kanssa ja on saanut rahoitusta Italian kansalliselta avaruusvirastolta (ASI) ja Euroopan avaruusvirastolta (ESA). Se on valmistanut kehittyneitä aurinkokennoja Euroopan avaruusohjelman ja monien planeettojen välisten tehtävien tarpeisiin.

Viimeisimmän saatavilla olevan financial disclosure, yritys ansaitsi yli 87 miljoonaa tšekin kruunua tilikaudella, joka päättyi 31. joulukuuta 2022.

Avaruuspohjaisen aurinkoteknologian edistysaskeleet: Tulevaisuuden tie

Avaruuspohjainen aurinkoteknologia on löytänyt paikkansa todistaessaan arvonsa maailmanlaajuiselle yhteisölle, mikä on saanut kansalliset hallitukset ympäri maailmaa investoimaan siihen innokkaasti. Yhdysvalloissa tämä muutui toiminnaksi, kun Naval Research Laboratory suoritti vuonna 2020 kokeen, jossa kerättiin auringonvaloa ja muutettiin se tasavirtasähköksi. Tähän tarkoitukseen käytettiin ilmavoiman X-37B-avaruusalusta.

Samaan aikaan kansainväliset pyrkimyksetkin saavat vauhtia. Kiinan viranomaiset ovat asettaneet kunnianhimoisia tavoitteita vuoden 2028 suunnitelmallaan avaruuspohjaisesta demonstraatiosta, jota johtaa China Academy of Space Technology. Euroopassa Solaris erottuu hyvin rahoitettuna kolmen vuoden tutkimusohjelmana, joka on saanut Euroopan avaruusviraston vihreän valon. Myös Yhdistynyt kuningaskunta on mukana kilpailussa, sillä se on tarjonnut apurahoja avaruusaurinkoenergian hyödyntämistutkimuksiin.

Selvästi innovatiiviset yritykset, suuret ja resurssirikkaat globaalit organisaatiot sekä hallitukset ympäri maailmaa ovat työskennelleet yhdessä kerätäkseen ja hyödyntääkseen avaruuden tarjoamaa energiaa. Kun tällainen katkeamaton, hyödyntämätön aurinkoenergia odottaa hyödyntämistään planeetan eduksi, tulevaisuus näyttää todellakin lupaavalta.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaasta aurinkoenergiaosakkeesta.