Tieteiskirjallisuudesta taivaalle: Ovatko kiertävät aurinkopaneelit loistava idea?

Kuvittele, että voit hyödyntää auringon voiman ei vain maapallolta, vaan suoraan avaruudesta. Tämä on avaruusaurinkovoiman (SSP) ydin.

Se on kehittynyt konsepti, jossa aurinkoenergia kerätään avaruuden äärettömyydessä ja sitten siirretään maahan säteilyllä. Tämä menetelmä ohittaa maapallon rajoitukset, kuten pimeyden ja sääolosuhteet, varmistaen jatkuvan, esteettömän aurinkoenergian virtauksen.

Vaikka se saattaa kuulostaa futuristiselta idealta, SSP:n taustalla olevat perusperiaatteet ovat yhtä ajattomia kuin itse aurinko.

Määriteltäessä avaruusaurinkovoimaa: se on puhtaan energian lähde, jossa avaruudessa kerätty aurinkoenergia siirretään langattomasti maahan.

Aurinko, jonka arvioitu elinikä on 4-5 miljardia vuotta, tarjoaa todellisesti pitkäaikaisen energiaratkaisun. Lisäksi avaruusaurinkovoima ei päästää kasvihuonekaasuja eikä se ole riippuvainen yhä niukistuvista makean veden resursseista, arvokkaasta viljelymaasta tai maakaasusta johdetusta lannoitteesta.

Se ei myöskään tuota vaarallista jätettä, ja perinteisiin aurinkovoimaratkaisuihin verrattuna se on vaikuttamaton pilvikerroksen, päivänvalon vaihtelun tai tuulen nopeuden suhteen.

Avaruusaurinkovoiman tarjoamat mahdollisuudet ovat inspiroineet monia organisaatioita kehittämään ratkaisuja sen ympärille. Joitakin merkittäviä toimijoita avaruusperusteisessa aurinkovoimamarkkinassa ovat Airbus, Azur Space Solar Power GmbH, Fralock LLC, Japanin avaruustutkimuslaitos (JAXA), Northrop Grumman (NOC ), Borrego Energy, LLC., Solaren Corporation, Space Tech GmbH, Space Canada, DHV Technology ja muut.

Ennen kuin syvennymme tarkemmin näiden yritysten ja niiden ratkaisujen toimintaan, käydään läpi, mitä avaruusperusteiset aurinkovoimalaitokset ovat ja miksi ne katsotaan elinkelpoisiksi puhtaan, uusiutuvan energian tuotannossa.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaasta aurinkosijoituksesta.

Tiede avaruusperusteisten aurinkovoimalaitteiden takana

Tutkimusten mukaan maapallo vastaanottaa jokaisella tunnilla enemmän aurinkoenergiaa kuin ihmiskunta kuluttaa koko vuodessa. Mielenkiintoista on, että maapallon ilmakehä heijastaa noin 30% tästä aurinkoenergiasta takaisin avaruuteen.

Avaruusaurinkovoiman tuotantojärjestelmät hyödyntävät runsasta aurinkoenergiaa, joka muuten hukkuu avaruudessa koskemattomana. Loppujen lopuksi ilmakehän puuttuminen, kuten pilvet, ja jatkuva auringonvalo ilman yön keskeytystä tekevät näistä satelliittipohjaisista järjestelmistä poikkeuksellisen tehokkaita. Ne voivat kerätä ja siirtää merkittävästi enemmän energiaa takaisin maahan kuin perinteiset aurinkopaneelit.

Näissä avaruusperusteisissa aurinkovoiman keruu- ja siirtojärjestelmissä satelliitit, joissa on paneelit, omaavat myös energian siirto-ominaisuudet. Ne käyttävät suuria peilejä keskittääkseen valtavat määrät aurinkosäteitä pienemmille aurinkokeräimille. Tämä korkea‑intensiteetti, keskeytymätön aurinkosäteily, siirretään sitten langattomasti maahan turvallisesti ja hallitusti.

Avaruusaurinkovoiman elinkelpoisuus: tekniset innovaatiot

Avaruusaurinkovoiman siirto on tullut elinkelpoiseksi viimeaikaisten teknisten innovaatioiden ansiosta. Siirtojärjestelmiä on kahta tyyppiä.

Ensimmäinen on mikroaaltoja siirtävät aurinkosatelliitit, kun taas toinen on laseria siirtävät aurinkosatelliitit. Mikroaaltoja siirtävissä satelliiteissa auringonvalo heijastuu suurista peileistä satelliitin keskelle, jossa se muunnetaan keskeytyksettömiksi mikroaaltoenergioiksi, jotka lähetetään maahan.

Siirrytään toiseen tyyppiin, laseria siirtäviin satelliitteihin, kuten nimi kertoo, ne käyttävät lasereita mikroaaltojen sijaan. Nämä satelliitit toimivat tyypillisesti ryhmissä muiden pienempien satelliittien kanssa, niiden pienemmän koon vuoksi.

Taloudellista elinkelpoisuutta tarkasteltaessa näillä kahdella ratkaisulla, laseria käyttävien aurinkosatelliittien aloituskustannukset ovat suhteellisen alhaiset, 500 miljosta 1 miljardiin Yhdysvaltain dollaria. Laserin pienempi säde tekee sen maassa toteuttamisesta helppoa ja edullista.

Kuitenkin mikroaaltoja käyttävät aurinkosatelliitit soveltuvat paremmin tasaisen, keskeytymättömän energian keräämiseen ja siirtoon sateen, pilvien ja muiden ilmakehän olosuhteiden läpi. Ne voivat toimittaa yli 1 gigawatin energian maapallon vastaanottimelle, mikä riittää suuren kaupungin energiansaantiin.

Keskustellessamme näistä edistysaskeleista, emme saa unohtaa, että nämä teknologiset ihmeet eivät syntyneet yhdessä yössä. Ne perustuvat pitkään tieteelliseen ja teknologiseen tutkimusperinteeseen. Ymmärtääksemme avaruusaurinkovoiman tulevaisuuden potentiaalin, meidän on asetettava se kontekstiin.

Avaruusaurinkokonseptin kehitys: alkuvaiheesta nykytilaan

1970-luku:

• Avaruusaurinkovoiman konsepteja alettiin tutkia Yhdysvalloissa.

1980-luku:

• Aasia alkoi tutkia avaruusaurinkovoiman konsepteja.

1990-luvun loppu – 2000-luvun alku:

• 1998: Space Solar Power Concept Definition Study tunnistaa uskottavat, kaupallisesti elinkelpoiset avaruusaurinkovoiman konseptit sekä niihin liittyvät tekniset ja ohjelmalliset riskit.

• 1998: Japanin avaruusvirasto kehittää avaruusaurinkovoimajärjestelmän, joka on edelleen toiminnassa.

• 1999: NASA käynnistää Space Solar Power Exploratory Research and Technology -ohjelman.

2010–2020:n alku

• 2010: Indian Space Research Organization aloittaa avaruusaurinkovoiman perustutkimuksen.

• 2012: Kiina ehdottaa yhteistä avaruusaurinkovoiman kehittämistä Intian kanssa.

• 2015: Caltech ja Northrop Grumman Corporation perustivat Space Solar Power Initiative -ohjelman, myöntäen noin 17,5 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria kolmen vuoden ajaksi avaruusperustaisen aurinkovoimalaitoksen kehittämiseen.

2020-luku

• 2022: Yhdistynyt kuningaskunta ilmoittaa Space Energy Initiative -ohjelmastaan, jonka tavoitteena on käynnistää ensimmäinen avaruusvoimala keskivälinä 2040-luvulla ja kattaa 30 % sähköenergiatarpeestaan tästä lähteestä.

• 2022: Euroopan avaruusjärjestö (ESA) ilmoittaa Solaris-ohjelmastaan, jonka suunnitelmana on operoida aurinkovoimasatelliitteja vuodesta 2030 alkaen.

• 2023: CalTechin Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) lähettää onnistuneesti havaittavaa energiaa maahan.

Näiden vuosien aikana erilaiset kansalliset hallitukset, yliopistojen tutkimusosastot ja valtion rahoittamat organisaatiot ovat tutkineet avaruusaurinkovoiman infrastruktuuria ja mahdollisuuksia.

Merkittäviä panostuksia ovat myös antaneet yritykset kuten Northrop Grumman, Airbus ja Solaren Corporation kehittäessään tätä mullistavaa energialähdettä.

Vaikka monet näistä avaruusaurinkovoimaprojekteista ovat peräisin kansallisista hallituksista, yliopistojen tutkimusosastoista ja valtion rahoittamista autonomisista organisaatioista, yritykset kuten Northrop Grumman, Airbus ja Solaren Corporation ovat näytelleet keskeisiä rooleja tämän mullistavan energialähteen hyödyntämisessä.

Yritykset, joilla on mullistavia avaruusaurinkovoiman aloitteita

1. Northrop Grumman

Baltimoren, Marylandissa sijaitseva yritys Northrop Grummanin Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) -projektitiimi pyrkii tekemään avaruudesta maahan tapahtuvan aurinkoenergian siirron todellisuudeksi.

Projektin tavoitteena on hyödyntää kiertoradalla olevia erittäin tehokkaita fotovoltaita soluja aurinkoenergian keräämiseen ja muuntaa se radiofrekvenssi (RF) -energiaksi, joka lähetetään maassa sijaitsevalle vastaanottolaitteelle.

Yritys on ollut johtava toimija avaruuteen soveltuvien valmiiden aurinkopaneelijärjestelmien kehittämisessä. Sen fotovoltaiset alijärjestelmät sisältävät viimeisimmät teknologiat hitsaukseen tai juottamiseen robotti‑automaation avulla, yhdistäen aurinkokennot jopa kuusi jalkaa pitkiin piireihin.

Sen Covered Interconnected Cells -ratkaisu tarjoaa aurinkokennojen ja suojalasin integroinnin CIC‑kokoonpanoihin.

Se valmistaa myös aurinkokennoketjuja, resistiivisiä siipujen eristyslevyjä äärimmäisiin avaruusympäristöihin, laajaa lämpötilaväliä kestävät (-185 °C – >300 °C) platinasäiliömittareita ja muuta.

Nämä innovaatiot ovat auttaneet avaruusaurinkovoiman aloitteita etenemään nopeammin ja saavuttamaan potentiaalinsa.

Vuonna 2022 Northrop Grumman rekisteröi myyntiä 36,6 miljardia Yhdysvaltain dollaria ja tiliöi transaktiokorjatun osakekohtaisen tuloksen 25,54 USD:ta. Yrityksen nettotulos oli lähes 5 miljardia USD:ta tilikaudella 2022.

2. Airbus

Toinen alalla menestynyt yritys oli Airbus. Sen energian siirto -ratkaisut pyrkivät auttamaan Eurooppaa pääsemään itsenäisesti käsiksi enemmän uusiutuvaan energiaan, luoden uusia energian verkkoja taivaalla, jotka tarjoavat itsenäisen ja kestävän energiansaannin ympäri vuorokauden. Airbusin ensimmäiset toimivat Power Beaming -prototyypit voivat olla käytössä jo 2030-luvun alussa.

Lisäksi Airbus on myös johtava eurooppalainen aurinkopaneelien, fotovoltajärjestelmien ja aurinkokennokokoonpanojen valmistaja institutionaalisiin ja kaupallisiin sovelluksiin. Se on valmistanut tehojen säätö- ja jakeluyksiköitä satelliiteille. Se toimittaa myös sähköpropulsiojärjestelmiä ja erilaisia elektroniikkakomponentteja sähköpropulsioon, mukaan lukien tehojen ohjaus- ja prosessointiyksiköt, joita tarvitaan avaruusaurinkojärjestelmissä.

Airbus työskentelee myös kehittyneiden fotovoltaita aurinkopaneelien rakentamisen parissa, jotka ovat kevyempiä, joustavampia ja kykenevät keräämään enemmän energiaa pinnallaan. Sen lippulaivaprogrammi Zephyr on korkean ilmanalan pseudo-satelliitti, joka saa voimansa yksinomaan aurinkoenergiasta.

Kaikki nämä edistävät merkittävästi avaruusaurinkovoiman kehitystä nopeammin ja tehokkaammin.

Tilikaudella 2022 Airbus kirjasi 58,8 miljardia euroa liikevaihtoa, ja säädetty EBIT oli 5,6 miljardia euroa. Sen vapaa kassavirta ennen yritysostojen ja asiakasrahoituksen hankintaa oli 4,7 miljardia euroa. Yritys ehdotti osinkoa, joka on 1,80 euroa osakkeelta.

3. Solaren Corporation

Tässä kentässä nouseva innovaattori, Solaren Corporation, on kehittänyt tapoja siirtää kustannustehokasta, nollapäästöistä sähköä avaruudesta.

Seuraavan kymmenen vuoden aikana Solaren kehittää, laukaisuu ja operoi ensimmäisen SSP-laitoksen ja myy sähköä. Solaren on myös hankkinut huippuluokan SSP-järjestelmäpatentteja maissa kuten Yhdysvallat, Euroopan unioni, Kiina, Japani, Intia, Kanada ja Venäjän federaatio.

Solarenin avaruusaurinkovoiman ratkaisuilla on monia etuja. Ne tarjoavat puhtaan peruskuormituksen sähkötoimituksen 24 h/24, joka on kustannustehokas, päästötön eikä sisällä ydinradiation riskiä. Ne eivät myöskään vaadi vettä termiseen jäähdytykseen, mikä poistaa riskin merien, jokien ja järvien lämpenemiseen.

Solarenin avaruusaurinkovoiman ratkaisu koostuu kahdesta osasta: aurinkovoimasatelliitista ja maassa sijaitsevasta vastaanottolaitteesta. Satelliitti käyttää aurinkopaneeleja ja RF‑antenneja energian keräämiseen ja siirtoon. Maassa oleva vastaanottolaitos vastaanottaa siirretyn energian vastaanottoantenniensa kautta.

Heinäkuussa 2023 Solaren ilmoitti rahoituskierroksensa onnistuneesta päättämisestä, jota johti Skyseed Ventures. Solaren keräsi kyseisessä kierroksessa 2,46 miljoonaa dollaria.

Avaruusaurinkovoiman globaali vaikutus ja elinkelpoisuus

Korkeasti kehittyneiden teknologioiden käyttöönotto avaruusperusteisissa aurinkovoimalaitoksissa on auttanut energioimaan avaruusaluksia, satelliitteja, roveria ja muuta avaruusinfrastruktuuria. Avaruudesta peräisin oleva aurinkoenergia voi pitää nämä järjestelmät toiminnassa pitkään ilman tarvetta toistuvaan polttoaineen täydennykseen omassa energiavarastossa.

Innovaatioiden avulla on alennettu uudelleenkäytettävien rakettien kehittämiskustannuksia, mikä on vähentänyt laitteiden avaruuteen laukaisemisen kuluja. Avaruusperusteisen aurinkovoiman keruu- ja siirtoarkkitehtuurin ylläpitokustannukset ovat myös laskeneet. Robotiikan ja automaation lisääntyvä käyttö tulee olemaan keskeinen tekijä kustannusten edelleen alentamisessa ja tehokkuuden parantamisessa.

Arvioiden mukaan Pohjois-Amerikka hallitsee alaa lähes kahdella viidestä maailmanlaajuisesta liikevaihdosta. Kuitenkin tulevaisuuden kasvun vetureina Kiinalla ja Intialla on suuri potentiaali.

Haasteet, jotka on voitettava

Tulevaisuudessa avaruusaurinkovoiman ratkaisut joutuvat voittamaan useita keskeisiä pullonkauloja. Yksi näistä on täydellisen tasapainon saavuttaminen tuotantokustannusten ja suorituskyvyn välillä. Halvemmat laseria siirtävät ratkaisut kärsivät jokaisen satelliitin alhaisesta tehosta, mikä vaatii useita satelliitteja merkittävän vaikutuksen aikaansaamiseksi. Kalliimmat mikroaaltoja siirtävät ratkaisut puolestaan voivat nostaa laukaisukustannukset kymmeniin miljardeihin dollareihin.

Laseria siirtävät ratkaisut, vaikka innovatiivisia, voivat aiheuttaa turvallisuushaasteita, kuten sokeuttamista ja mahdollista aseistamista. Mikroaaltoja siirtävät ratkaisut, vaikka ne välttävät nämä erityiset turvallisuusongelmat, vaativat paljon tilaa, mikä edellyttää maassa olevien vastaanottimien olevan useita kilometrejä halkaisijaltaan.

Laseria siirtävät satelliitit kärsivät myös ilmakehän epäsäännöllisyyksistä, kuten voimakkaista pilvistä tai sateista. Mikroaaltoja siirtävät ratkaisut, niiden vaaditun etäisyyden vuoksi maasta, ovat käytännössä korjaamattomia.

Kaikki nämä ongelmat on käsiteltävä asianmukaisesti ja ratkaistava. Satelliittien ja maassa olevien vastaanottimien koko on pienennettävä merkittävästi ilman, että niiden energian keruu- ja siirto-ominaisuudet heikentyvät.

Kustannusten on oltava kohtuullisia, jotta kehittyvät maat voivat olla varmempia näiden teknologioiden testaamisessa ja kokeilussa. Korjausmahdollisuudet on järjestettävä vahvemmin, ja ratkaisujen on oltava riippumattomia vallitsevasta säästä suorituskyvyssään.

Lupaava tulevaisuus edessä

Kun suuret julkiset yritykset investoivat voimakkaasti avaruusaurinkovoiman tuotteiden ja ratkaisujen valmistukseen, tulevaisuus näyttää lupaavalta. Innovaatio kukoistaa, ja järjestelmästä tulee entistä tehokkaampi ja optimaalisempi.

Lopulta se voima, joka ohjaa avaruusaurinkovoiman tehtäviä maailmanlaajuisesti, on suurempi tavoite saavuttaa planeetan kestävyys uusiutuvan energian avulla.

Kun se saavuttaa täyden potentiaalinsa, avaruusaurinkovoima voisi toimittaa sähköä mihin tahansa maahan samankustannuksin ilman, että tarvitsisi uusia investointeja pitkän matkan siirtoverkkojen rakentamiseen.

Analyytikot uskovat, että avaruusaurinkovoima voi luoda yli 250 000 pysyvää korkean teknologian työpaikkaa seuraavien kahden vuosikymmenen aikana. Todellisuudessa luku voi olla vieläkin suurempi.

Siksi avaruusaurinkovoiman ratkaisut tulevat jatkossakin valloittamaan kasvavan osan nykyisestä 2 triljoonan Yhdysvaltain dollarin globaalista sähkömarkkinasta. Laajentuessaan yhä useammat ratkaisuntarjoajat hyppäävät SSP‑aallolle. Se tulee olemaan taloudellisesti kannattava tapa ratkaista planeettaa tänään kohtaavat energian haasteet.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista uusiutuvan energian osakkeista.