Avaruuspohjaiset ratkaisut puhtaan energian tuotantoon

Uusiutuvien energialähteiden nostaminen korkeammalle

Energiajärjestelmän päästöjen vähentäminen ja sähköistäminen perustuvat osittain uusiutuviin lähteisiin, etenkin tuuli- ja aurinkovoimaan. Myös geoterminen energia ja ydinvoima voivat auttaa. Jokaisella vaihtoehdolla on kuitenkin rajoituksia:

• Geotermistä energiaa tuotetaan jo kaupallisesti, mutta perinteiset hankkeet riippuvat paikallisista lämpöresursseista. Uudet, laajemmalle soveltuvat menetelmät ovat eri kehitysvaiheissa.
• Ydinvoima vaatii paljon pääomaa, tuottaa radioaktiivista jätettä ja kohtaa paikoin hyväksyttävyysongelmia. Osa uusista ratkaisuista liittyy neljännen sukupolven reaktorikonsepteihin, mutta ne eivät automaattisesti poista kaikkia kustannus-, jäte- tai turvallisuushaasteita.
• Tuuli- ja aurinkovoiman tuotanto vaihtelee. Sähköjärjestelmä tarvitsee tämän vuoksi joustoa, kuten siirtoyhteyksiä, kysyntäjoustoa sekä akkuja ja muita energian varastointimuotoja.

Maan pinnalla aurinkovoima ei tuota yöllä, ja pilvet, pöly sekä lumi voivat heikentää tuotantoa. Vuodenaikojen vaikutus on suuri etenkin korkeilla leveysasteilla. Voisiko aurinkoenergiaa kerätä avaruudessa ja siirtää Maahan? Entä voisiko avaruus tarjota muita energialähteitä?

Avaruuspohjainen aurinkovoima

Avaruuteen sijoitettu aurinkovoimala voisi kerätä auringonvaloa suuren osan ajasta valitusta kiertoradasta riippuen. Geostationaarisella radallakin esiintyy pimennysjaksoja, joten väite täysin keskeytymättömästä tuotannosta ja varastoinnin tarpeettomuudesta on liian ehdoton.

Ilmakehän ja pilvien puuttuminen voisi tasata tuotantoa verrattuna maanpäälliseen aurinkovoimaan. Huolto, pimennykset, siirtoyhteys ja muut käyttökatkot vaikuttaisivat silti toimitusvarmuuteen.

Ilmakehä vaimentaa auringon säteilyä myös pilvettömällä säällä. Maan pinnalla säteilyn tulokulma ja vuorokauden- sekä vuodenaika vaikuttavat kerättyyn energiaan.

Kiertoradalla toimiva paneeli välttää osan näistä rajoituksista. Joissakin arvioissa on esitetty, että tuotanto voisi olla jopa 40-kertainen maanpäälliseen paneeliin nähden. Tätä ei voi pitää yleispätevänä suhteena: vertailupaikka, keräysjärjestelmä, kiertorata ja siirtohäviöt ratkaisevat lopputuloksen.

Miten se toimii?

Aurinkopaneeleilla tuotetaan jo sähköä monissa satelliiteissa ja kansainvälisellä avaruusasemalla. Maahan sähköä toimittava avaruusvoimala vaatisi kuitenkin huomattavasti suuremman keräysjärjestelmän sekä tehokkaan, turvallisen ja tarkasti suunnatun energiansiirron.

Lähde: Solar.com

Yksi tutkittu vaihtoehto on mikroaaltosiirto esimerkiksi 2,45 GHz:n taajuudella. Pilvet haittaavat sitä vähemmän kuin optista siirtoa. Maassa vastaanottoantenni eli rectenna muuntaisi säteilyn takaisin sähköksi. Suuren tehon siirtäminen kiertoradalta ei silti ole yksinkertainen tai jo ratkaistu tehtävä.

Vaihtoehtona tutkitaan lasersäteitä, joiden suuntaukseen, ilmakehän vaikutuksiin ja turvallisuuteen liittyy omat haasteensa.

Lähde: ESA – European Space Agency

Suuritehoisen säteen turvallisuus riippuu muun muassa tehotiheydestä, suuntauksen hallinnasta ja altistumisen rajoittamisesta. Suunnitelmissa pyritään turvallisiin mikroaaltotasoihin, mutta vaarattomuutta ei voi päätellä pelkästä teknologiavalinnasta. Laserjärjestelmien riskit ovat erilaisia.

Paneelien tuottama tasavirta syöttäisi lähetintä, joka muuntaisi energian mikroaalloiksi tai laserin valoksi. Vastaanottimessa energia muunnettaisiin uudelleen sähköksi ja tarvittaessa vaihtovirraksi sähköverkkoa varten. Nämä muunnokset aiheuttavat häviöitä.

Miksi juuri nyt?

Aurinkokustannukset

Ajatus aurinkovoimasta avaruudessa on vanha. Sen toteuttamiskelpoisuutta arvioidaan uudelleen, koska paneelit, elektroniikka ja laukaisutekniikka ovat kehittyneet.

Keskeisiä tekijöitä ovat aurinkokennojen parantunut hyötysuhde ja alentuneet valmistuskustannukset, eivät kasvava tehottomuus.

Lähde: News Channel 3

Tavanomaisten maanpäällisten paneelien hyötysuhde on usein noin 20–23%, kun taas avaruuskäyttöön tarkoitetut moniliitoskennot voivat ylittää 30%. Kalliimpaa teknologiaa voidaan perustella sillä, että pienempi massa vähentää laukaisutarvetta. Tulevat parannukset ovat silti ennusteita.

”Avaruudessa käytettävien paneelien hyötysuhde on nykyisin noin 30%, ja odotamme sen nousevan 40%:iin seuraavien 20 vuoden aikana.”

Nicola Rossi, Enel Groupin innovaatiopäällikkö

Laukaisukustannukset

Toinen olennainen tekijä on kiertoradalle pääsyn hinta. SpaceX (SPCX ):n uudelleenkäytettävät raketit ovat vaikuttaneet alan kustannuksiin. Kustannusten muutos riippuu vertailukohdasta ja kuormasta, eikä kymmenkertaista alennusta voi yleistää kaikkiin laukaisuihin. Starshipiin kohdistetut odotukset olivat vuonna 2024 tulevaisuuden tavoitteita.

Lähde: Ark Invest

Eräässä esimerkkilaskelmassa laukaisuhinta 7 716 puntaa kilogrammalta vastasi noin 154 punnan kuljetuskustannusta asennettua wattia kohti, kun maanpäällisen aurinkovoiman asennuskustannukseksi arvioitiin noin 1,5–2 puntaa watilta. Nämä luvut riippuvat järjestelmän massasta ja oletuksista. Lisäksi Elon Musk tavoittelee pitkällä aikavälillä vain $100/kg. Tavoite ei ole toteutunut kaupallinen hinta eikä takaa avaruusvoimalan kannattavuutta.

Avaruuspohjaisen aurinkovoiman rajoitukset

Hinta ja laukaisukustannukset

Avaruusaurinkovoiman taloudellisuus edellyttää merkittäviä parannuksia esimerkiksi laukaisuihin, massaan, kokoonpanoon ja siirtohyötysuhteeseen. Kustannusten alenemisen nopeus on epävarma. Aiemmissa suunnitelmissa megawattiluokan kokeita tavoiteltiin vuosille 2025–2030. Nämä olivat tavoitteita, eivät varmoja toimitusaikatauluja. Gigawattiluokan järjestelmät olisivat vielä huomattavasti suurempia.

Avaruusromu

Avaruuden säteily ja lämpötilavaihtelut rasittavat aurinkokennoja ja elektroniikkaa. Järjestelmän käyttöikä, huollettavuus ja tehon heikkeneminen vaikuttavat taloudellisuuteen.

Myös avaruusromu on merkittävä kysymys. Erityisesti matalilla kiertoradoilla satelliittien määrän kasvu lisää liikenteen hallinnan ja törmäysten välttämisen tarvetta.

Neliökilometrien kokoiset rakenteet altistuisivat romun ja mikrometeoroidien osumille. Riskin suuruus riippuisi kiertoradasta, rakenteesta ja käyttöajasta.

Törmäykset voivat tuottaa lisää romua ja kasvattaa uusien törmäysten riskiä. Tällaista itseään vahvistavaa kehitystä kutsutaan Kesslerin ilmiöksi. Se ei tarkoita kaikkien Maan satelliittien välitöntä tuhoutumista kaikilla kiertoradoilla.

Vakava romutilanteen heikkeneminen voisi haitata viestintää, kaukokartoitusta, tiedettä ja turvallisuusjärjestelmiä niillä kiertoradoilla, joihin vaikutukset kohdistuvat.

Jos merkittävä osa energiantuotannosta olisi riippuvainen avaruusrakenteista, niiden häiriönsieto ja varajärjestelmät olisivat erityisen tärkeitä.

Kestävyys ja kierrätys

Ilmakehän vastus laskee matalimpien kiertoratojen korkeutta, mutta nopeus riippuu voimakkaasti korkeudesta ja satelliitin ominaisuuksista. Geostationaarinen rata vähentää tätä ongelmaa ja helpottaa yhteyttä tiettyyn vastaanottoalueeseen, mutta sinne kuljettaminen vaatii enemmän energiaa.

Materiaalien käyttö ja kierrätys on myös arvioitava. Aurinkokennojen koostumus vaihtelee, eikä kaikkien ratkaisujen materiaalitarve ole sama.

Laajamittaisessa järjestelmässä on suunniteltava käytöstäpoisto, romun ehkäisy ja mahdollinen materiaalien uudelleenkäyttö. Pelkkä jättäminen kiertoradalle tai hallitsematon paluu ilmakehään ei ole kestävä toimintamalli.

Laukaisut ja valmistus kuluttavat energiaa ja aiheuttavat päästöjä. Kannattavuuden ohella on arvioitava koko elinkaaren energiatasetta ja ympäristövaikutuksia.

Energiatappiot

Vaikka avaruudessa voidaan kerätä enemmän auringonvaloa, sähköverkkoon toimitettava energia kulkee useiden muunnosten kautta:

• Maassa: auringonvalo -> sähkö paneelissa -> tasavirran muunto vaihtovirraksi -> sähköverkko.
• Avaruudessa: auringonvalo -> sähkö paneelissa -> mikroaallot -> sähkö vastaanottimessa -> tasavirran muunto vaihtovirraksi -> sähköverkko.

Siirto ja lisämuunnokset pienentävät koko järjestelmän hyötysuhdetta. Aurinkokennon noin 30–40%:n muuntohyötysuhde ei siis tarkoita samaa osuutta verkkoon toimitettuna energiana.

”Esittelyjärjestelmämme kokonaishyötysuhde oli noin 5%. Se ei olisi toiminnallisesti kannattava, vaikka auringonvalo on ilmaista. Jotta avaruusaurinkovoimala olisi mielekäs, hyötysuhteen pitäisi olla vähintään noin 20%.”

Jean-Dominique Coste, Airbus Blue Sky -yksikön johtaja

Kiertoradan hallinta ja auringon säteilypaine

Voimalan asennon ja kiertoradan hallinta on oma tekninen haasteensa.

Keräimet on suunnattava aurinkoon ja energiansiirtosäde vastaanottoalueelle. Toteutus riippuu rakenteesta, kiertoradasta ja käytetystä lähetintekniikasta.

Suuret ja kevyet rakenteet ovat herkkiä auringon säteilypaineelle. Fotonien aiheuttamaa painetta hyödynnetään myös aurinkopurjeissa. Tämä on eri ilmiö kuin varatuista hiukkasista koostuva aurinkotuuli.

Säteilypaine on otettava huomioon järjestelmässä, jonka asento ja kiertorata on pidettävä hallinnassa.

Avaruusaurinkovoiman kokonaisnäkymät

Avaruusaurinkovoiman tulevaisuus riippuu monen teknologian ja avaruusalan palvelun kehityksestä. Tärkeitä tekijöitä ovat:

• Laukaisujen, valmistuksen ja kokoonpanon kustannusten aleneminen sekä järjestelmien luotettavuus.
• Huolto- ja kierrätysmahdollisuuksien kehittyminen kiertoradalla tai Maan ja Kuun välisellä alueella.
• Avaruusromun hallinta sekä kansainvälinen yhteistyö ja turvallinen toiminta kiertoradoilla.

Vaihtoehtoja avaruuden aurinkopaneeleille

Auringonvalon keskittäminen ja kiertoratapeilit

Valon muuntaminen sähköksi, mikroaalloiksi ja jälleen sähköksi aiheuttaa häviöitä. Tämä voi osittain kumota avaruudessa saavutettavaa keräysetua. Epäilijöihin on kuulunut myös Elon Musk, joka arvosteli ajatusta vuonna 2012.

”Yksi lempiaiheistani on avaruusaurinkovoima. Se on mielestäni todella typerä ajatus. Jos jonkun pitäisi pitää siitä, niin minun: minulla on rakettiyritys ja aurinkoenergiayritys.”

Vuoden 2012 jälkeen paneelien ja laukaisujen kustannukset ovat muuttuneet. Se antaa syyn arvioida ajatusta uudelleen, mutta ei yksin osoita sitä kilpailukykyiseksi.

Yksi vaihtoehto on heijastaa auringonvaloa suoraan maanpäällisiin voimaloihin sen sijaan, että sähkö tuotettaisiin avaruudessa. Tätä varten tarvittaisiin suuria kiertoratapeilejä.

Ohut heijastava kalvo voi olla pinta-alaa kohti kevyempi kuin aurinkokennojärjestelmä. Käytännössä peilin avaaminen, vakaus, suuntaus ja kestävyys ovat silti vaativia tehtäviä.

Ajatusta ovat edistäneet muun muassa Ben Nowack, Reflect Orbitalin perustaja, Glasgow’n yliopiston SOLSPACE-tutkimushanke, joka sai Euroopan tutkimusneuvostolta 2,5 miljoonan euron rahoituksen, sekä Engien Laborelec.

Liikeideana olisi toimittaa auringonvaloa maanpäällisille aurinkovoimaloille auringonlaskun jälkeen. Käytännössä valon määrä ja kesto riippuisivat peilien koosta, kiertoradasta ja vastaanottoalueesta.

Peilit eivät poistaisi pilvisyyden vaikutusta, joten kuivat alueet voisivat soveltua paremmin. Myös hajavalo, yöluonto ja tähtitieteelliset havainnot on huomioitava.

Peilejä on ehdotettu myös avaruudessa sijaitsevien keräimien säteilyn lisäämiseen. Tällainen ratkaisu vaatisi oman teknisen ja taloudellisen arviointinsa.

Vuonna 2018 uutisoitiin kiinalaisesta ehdotuksesta käyttää avaruuspeiliä yövalaistukseen vuoteen 2022 mennessä. Tätä ei pidä esittää toteutuneena hankkeena tai osoituksena toimivasta kaupallisesta tekniikasta.

Avaruustehtaat

Suuren avaruusvoimalan kustannuksiin kuuluisi huomattavan materiaalimäärän kuljettaminen kiertoradalle. Yksi pitkän aikavälin ajatus on valmistaa paneeleja tai peilejä avaruudessa paikallisista raaka-aineista.

Tämä voisi vähentää Maasta kuljetettavaa rakennusmassaa, mutta ei poistaisi teollisen infrastruktuurin, laitteiden, huollon ja materiaalinkäsittelyn kustannuksia.

Eräs ehdotus on hyödyntää asteroidien raaka-aineita ja valmistaa niistä rakenteita avaruudessa.

Vuonna 2024 tämä oli spekulatiivinen teollinen konsepti. Asteroidinäytteiden palautus ei ole sama asia kuin kaupallinen asteroidikaivostoiminta.

Kuun tukikohta

Avaruusvalmistuskaan ei ratkaisisi automaattisesti säteilypainetta, romuriskiä, huoltoa tai kierrätystä.

Toinen ehdotus on rakentaa aurinkovoimaloita Kuun pinnalle ja siirtää energia mikroaaltoina Maahan joko suoraan tai välitysasemien kautta. Myös heijastavia rakenteita on ehdotettu, mutta niiden mittakaava ja suuntaus tekisivät toteutuksesta vaikean.

Lähde: Arizona State University

Kuun pinnalle sijoittamisessa voisi olla joitakin etuja kiertoratarakenteisiin verrattuna:

• Gravitaatio: Kuun painovoima on noin kuudesosa Maan painovoimasta. Se voisi helpottaa joidenkin valmistusmenetelmien sovittamista verrattuna mikrogravitaatioon.
• Ilmakehän puuttuminen: Kuussa ei ole maanpäällisiä pilviä, tuulta tai sadetta. Sen sijaan pitkät yöt, voimakkaat lämpötilavaihtelut, säteily ja hankala kuupöly vaikuttavat järjestelmiin. Tuotanto ei olisi automaattisesti keskeytymätöntä.
• Ihmisten tekemä huolto: mahdolliset tulevat kuutukikohdat voisivat tukea huoltoa. Vuonna 2024 nämä olivat suunnitelmia, eivät valmiiksi käytettävissä oleva työvoima. Myös kiertoradalla voidaan periaatteessa käyttää miehitettyjä huoltolentoja.
• Resurssit: Kuussa on muun muassa happea, piitä, alumiinia ja rautaa sisältäviä mineraaleja. Niiden teollinen hyödyntäminen vaatisi kuitenkin kaivostoiminnan ja jalostuksen kehittämistä.

”Piitä, alumiinia ja rautaa voitaisiin erottaa kemiallisesti Kuun maaperästä aurinkokennojen valmistukseen. Pieniä määriä seostusaineita voitaisiin tuoda Maasta.

On arvioitu, että kilogramma Kuuhun kuljetettua materiaalia voisi mahdollistaa 200-kertaisen sähköenergian toimituksen Maahan verrattuna kilogrammaan aurinkovoimasatelliitissa.” Tämä on tiettyihin oletuksiin perustuva konseptiarvio, ei kokeellisesti osoitettu yleinen suhde.

David R. Criswell

Myös kuuvoimaloilla olisi rajoituksia. Kuun auringonvaloon perustuva vuorokausi kestää noin 29,5 Maan vuorokautta. Jatkuva toimitus edellyttäisi esimerkiksi eri alueille sijoitettuja voimaloita, varastointia tai muita täydentäviä ratkaisuja.

Helium-3, fuusio ja Kuun voimalaitokset

Kuun tulevaan energiankäyttöön on liitetty myös helium-3, joka on heliumin harvinainen isotooppi. Se voisi teoriassa toimia tiettyjen fuusioreaktioiden polttoaineena. Tämä ei tarkoita, että kaupallisesti kannattava helium-3-fuusio olisi osoitettu toimivaksi.

Fuusio on edelleen kehitysvaiheessa, ja helium-3:n kerääminen Kuusta lisäisi omat tekniset ja taloudelliset haasteensa.

Myös jättiläisplaneettojen isotooppivaroja on pohdittu pitkän aikavälin energialähteinä. Tällaiset ajatukset ovat vielä kaukana käytännön energiantuotannosta.

Kuuhun voitaisiin periaatteessa sijoittaa myös ydinvoimaloita. Maahan toimitettavan sähkön kannattavuus riippuisi silti rakentamisesta, turvallisuudesta ja siirtohäviöistä. Etäisyys ei yksin tee järjestelmästä järkevää.

Avaruuspohjaiset aurinkoyritykset

1. Space Solar

Brittiläinen Space Solar kehittää CASSIOPeiA-konseptia, jonka tavoite on gigawattiluokan aurinkovoimala avaruudessa. Kyse olisi erittäin suuresta rakenteesta, ei vuonna 2024 valmiista kaupallisesta voimalasta.

Lähde: Space Solar

Konseptille on esitetty esimerkiksi 2 GW:n tehoa, 60 000 paneelia ja noin 2 000 tonnin massaa geosynkronisella kiertoradalla. Nämä ovat suunnitteluarvoja, jotka voivat muuttua.

Energia suunnattaisiin vaiheistetulla antenniryhmällä maanpäälliseen vastaanottimeen, jonka läpimitaksi on esitetty noin viisi kilometriä. Space Solar on kokeillut maanpäällistä langatonta tehonsiirtoa HARRIER-järjestelmällä 360° alueelle ilman liikkuvaa suuntausmekanismia. Tämä koe ei osoita gigawattiluokan siirtoa avaruudesta; siihen liitettyä 30 kW:n lukua ei tule sekoittaa kiertoratajärjestelmän osoitettuun suorituskykyyn.

Konseptissa kaksi heijastinta ohjaisi auringonvaloa keskellä olevaan keräysosaan.

Lähde: Space Solar

Ensimmäiselle järjestelmälle on esitetty 17 miljardin punnan kehitys- ja toteutuskustannusta sekä myöhemmille noin 3,6 miljardin punnan arviota. Ne ovat ennusteita. Vertailu 2 GW:n ydinvoimalaan edellyttäisi samoja kustannus-, käyttöikä-, tuotanto- ja rahoitusoletuksia; pelkkä nimellisteho ei tee vertailusta tasapuolista.

2. Reflect Orbital

Reflect Orbital ei pyri ensisijaisesti tuottamaan sähköä avaruudessa, vaan heijastamaan auringonvaloa maanpäällisille aurinkovoimaloille auringonlaskun jälkeen.

Sähkön hinta voi olla korkea iltaisin, mikä tekee ajatuksesta kaupallisesti kiinnostavan. Valon kohdistaminen eri alueille riippuisi kuitenkin kiertoradasta, peilin ominaisuuksista ja säästä, eikä se olisi rajattomasti mahdollista.

Ratkaisu välttäisi avaruudessa tapahtuvan sähköntuotannon ja mikroaaltosiirron, mutta senkin on osoitettava riittävä valoteho, taloudellisuus ja hyväksyttävät ympäristövaikutukset.

Vuonna 2024 yritys kehitti satelliittejaan ja haki rahoitusta. Se oli myös esitellyt peilikonseptia korkealle nostetulla ilmapallolla. Ilmapallokoe ei vastaa toimivaa kiertoratapalvelua.

Lähde: Reflect Orbital

Tuolloin yritys tavoitteli prototyypin testaamista vuonna 2025. Varhaisissa suunnitelmissa mainittiin noin 16 kilogramman satelliitti ja avautuva, noin 10 × 10 metrin heijastinkalvo. Nämä olivat suunnitelmia, eivät vahvistettuja tuotantotuloksia.

Peilikonsepti käyttää tunnettuja fysikaalisia periaatteita, mutta suuri avaruusrakenne, tarkka suuntaus ja kaupallinen palvelu tuovat uusia haasteita. Tekniikan osien tuttuus ei yksin poista hankkeen riskejä.