Energi
Solusi Energi Berbasis Luar Angkasa untuk Energi Bersih Tanpa Batas
Mendorong Energi Terbarukan Lebih Tinggi
Upaya untuk mendekarbonisasi dan mengaliri sistem energi kita dengan listrik saat ini bergantung pada energi terbarukan, terutama angin dan surya. Energi panas bumi dan tenaga nuklir juga dapat membantu.
Sayangnya, masing‑masing solusi ini memiliki beberapa keterbatasan:
- Panas bumi masih relatif belum terbukti ketika berbicara tentang produksi skala besar dan bergantung pada sumber panas lokal yang tidak merata.
- Nuklir tidak populer, menghasilkan limbah nuklir, dan memerlukan banyak modal di awal. Hal ini menghambat adopsinya, bahkan jika sebagian besar masalah ini mungkin dapat diselesaikan oleh 4thgenerasi sistem tenaga nuklir.
- Energi terbarukan mengalami intermitensi, memaksa jaringan listrik yang beralih hijau untuk juga menginvestasikan sejumlah besar uang ke dalam baterai dan bentuk penyimpanan energi lainnya.
Ketika berbicara tentang tenaga surya, intermitensi tampaknya merupakan fitur yang tak terhindarkan, karena Bumi berada dalam kegelapan setengah waktu. Untuk memperparah masalah ini, tutupan awan dapat secara drastis mengurangi output daya selama minggu atau bahkan bulan di beberapa wilayah dunia, belum lagi masalah debu atau salju.
Bagaimana jika untuk menghindari kegelapan malam dan masalah iklim, kita menempatkan basis tenaga surya kita di luar angkasa? Bagaimana cara kerjanya? Dan apakah ada cara lain untuk memberi daya peradaban Bumi dari luar angkasa?
Energi Surya Berbasis Luar Angkasa
Fitur kunci pertama dari energi surya berbasis luar angkasa adalah bahwa satelit tenaga yang mengorbit Bumi dapat ditempatkan pada orbit yang tidak pernah berada dalam bayangan Bumi, menghasilkan listrik 24/7. Hal ini tidak hanya menggandakan produksi, tetapi juga menghilangkan kebutuhan akan baterai pada pembangkit tenaga surya berbasis darat.
Dengan tidak adanya penurunan produksi pada musim dingin atau karena awan, tenaga surya intermiten berubah menjadi hampir tenaga dasar (baseload) yang sempurna.
Faktor lain adalah bahwa atmosfer menyerap sebagian besar cahaya Matahari bahkan tanpa awan. Inklinasi Bumi dan bentuk bulatnya juga mengurangi jumlah sinar matahari yang mencapai permukaan jauh dari wilayah khatulistiwa.
Panel surya orbital tidak mengalami batasan‑batasan ini. Berkat semua faktor tersebut, panel surya di orbit dapat menghasilkan hingga 40× lebih banyak dibandingkan yang di darat.
Bagaimana Cara Kerjanya?
Kita sudah tahu cara menghasilkan tenaga surya di luar angkasa, dengan panel surya berperforma tinggi yang sudah memberi daya hampir semua satelit dan ISS. Secara teori, yang diperlukan hanyalah mengirim lebih banyak panel semacam itu ke orbit dan mengirimkan energi kembali ke Bumi.
Sumber: Solar.com
Secara mengejutkan, bagian mengirim kembali daya tidak serumit yang dibayangkan. Konsep dominan sejauh ini adalah menggunakan gelombang mikro (2,45 GHz), yang tidak diserap oleh awan. Gelombang mikro kemudian diserap dan dikonversi kembali menjadi listrik berkat antena khusus yang disebut rectenna.
Alternatifnya, daya juga dapat dipancarkan kembali dengan laser.
Sumber: ESA – European Space Agency
Memancarkan sejumlah besar energi kembali ke permukaan Bumi mungkin terdengar mengkhawatirkan. Hal ini cenderung menimbulkan gambaran tentang sinar kematian supervillain fiksi ilmiah. Namun, dalam praktiknya, berkas semacam itu memang kaya energi tetapi tidak cukup kuat untuk menjadi bahaya bagi permukaan.
Perlu dicatat bahwa salah satu keunggulan sistem ini adalah daya DC yang dihasilkan panel surya dapat langsung digunakan untuk pemancaran, sementara daya AC hanya dihasilkan di darat untuk disuntikkan ke jaringan listrik.
Mengapa Sekarang?
Biaya Surya
Menghasilkan tenaga dari pembangkit surya orbital adalah ide lama. Namun baru kini ide tersebut mulai tampak dapat menjadi layak.
Alasan pertama adalah meningkatnya efisiensi dan menurunnya biaya panel surya, faktor‑faktor yang sama yang membuatnya menjadi pilihan layak di darat.
Sumber: News Channel 3
Kemajuan lebih lanjut dalam teknologi mungkin akan meningkatkan efisiensi konversi lebih jauh. Saat ini, panel surya yang umum dipakai di darat memiliki efisiensi 20‑23 %. Panel yang digunakan di luar angkasa sering mencapai 30 %, karena biaya tambahan diimbangi dengan berat yang lebih ringan untuk dibawa ke orbit, dan peningkatan lebih lanjut diharapkan.
“Panel yang saat ini dipakai di luar angkasa mencapai efisiensi sekitar 30 % dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik, dan dalam 20 tahun ke depan kami memperkirakan akan mencapai 40 %”
Biaya Peluncuran
Gajah lain dalam ruangan adalah menurunnya biaya mencapai orbit, hampir seluruhnya didorong oleh pencapaian SpaceX dalam roket dapat digunakan kembali. Biaya ini sudah dibagi 10 dan diperkirakan akan terus turun dengan peluncuran Starship serta produksi massal roket terbesar dalam sejarah.
Sumber: Ark Invest
Ketika biaya peluncuran £7.716 per kilogram, itu setara dengan kira‑kira £154 per watt “biaya instalasi”, dibandingkan hanya £2‑1,5 di darat. Namun jika biaya peluncuran dapat turun cukup rendah, energi surya berbasis luar angkasa menjadi layak secara ekonomi. Dan Elon Musk menargetkan hanya $100/kg dalam jangka panjang, berkat penggunaan kembali penuh muatan Starship yang masif.
Keterbatasan Energi Surya Berbasis Luar Angkasa
Harga dan Biaya Peluncuran
Seperti dijelaskan di atas, tenaga berbasis surya hanya layak bila biaya peluncuran turun secara signifikan. Walaupun hal ini mungkin sedang terjadi, belum jelas seberapa cepat penurunan 10× lagi dalam biaya peluncuran orbital dapat dicapai.
Hal ini dapat secara signifikan menunda adopsi tenaga surya berbasis luar angkasa, dengan sebagian besar proyek prototipe besar (dekat skala MW) tidak diharapkan sebelum 2025‑2030 pada yang terbaik. Dampak signifikan tidak akan tercapai sebelum membangun sistem sebesar 1.000× lebih besar pada level GW.
Kekacauan Orbit
Kekhawatiran lain adalah ketahanan nyata panel surya di orbit. Luar angkasa adalah lingkungan keras dengan radiasi tinggi, dan panel akan terdegradasi seiring waktu. Hal yang sama kemungkinan terjadi pada komponen elektronik seperti antena gelombang mikro.
Selain itu, ruang orbital semakin penuh. Sampah antariksa menjadi masalah serius, dan konstelasi satelit Low‑Earth Orbit (LEO) berkembang secara eksponensial menambah jumlah objek di sekitar planet kita.
Pembangkit surya berbasis luar angkasa akan menempati beberapa kilometer persegi, sehingga kemungkinan besar akan tertabrak sampah antariksa secara reguler. Bahkan mikrometeor akan menjadi masalah bila diberikan cukup luas permukaan dan waktu.
Dalam skenario terburuk, dampak besar akan menghasilkan lebih banyak sampah, yang pada gilirannya menghasilkan lebih banyak sampah, dalam sebuah rantai kaskade bencana yang menghancurkan sebagian besar satelit Bumi. Ini adalah fenomena dikenal sebagai sindrom Kessler.
Saat ini, sindrom Kessler sudah cukup merusak, menghancurkan telekomunikasi, citra berbasis luar angkasa, dan ilmu pengetahuan, serta sistem peringatan dini deteksi senjata nuklir.
Namun bila sebagian besar energi Bumi disuplai oleh pembangkit surya orbital, kejadian semacam itu akan menjadi jauh lebih menghancurkan.
Ketahanan dan Daur Ulang
Kecuali jika ditempatkan di orbit yang sangat jauh, jauh dari LEO, trajektori satelit cenderung menurun cukup cepat. Jadi pembangkit surya harus dipindahkan ke orbit yang lebih tinggi, menuju orbit geostasioner (GEO), meningkatkan biaya karena memerlukan kapasitas peluncuran lebih besar.
Hal ini juga menimbulkan pertanyaan tentang daur ulang, karena panel surya ini akan mengonsumsi banyak sumber daya berharga & tidak terbarukan, termasuk perak.
Jadi, dalam jangka panjang, infrastruktur tenaga surya berskala besar juga harus menguasai daur ulang panel alih‑alih menghancurkannya dengan membiarkannya tetap di orbit atau jatuh kembali ke Bumi.
Terakhir, mengirim material ke orbit sangat intensif energi. Jadi, hanya roket berefisiensi tinggi yang akan membuat proses ini layak, memungkinkan panel surya orbital “mengembalikan” energi yang tidak hanya digunakan untuk memproduksinya tetapi juga untuk mengirimnya ke orbit.
Kehilangan Energi
Seperti yang kami sebutkan, panel surya di luar angkasa menerima jauh lebih banyak energi dibandingkan di darat. Namun, mereka juga harus melewati beberapa langkah tambahan sebelum menyalurkan listrik ke jaringan:
- Berbasis darat: mengumpulkan sinar matahari → mengonversi DC ke AC → mengirim daya ke jaringan.
- Berbasis luar angkasa: mengumpulkan sinar matahari → mengonversi menjadi gelombang mikro → mengonversi gelombang mikro kembali menjadi listrik → mengonversi DC ke AC → mengirim daya ke jaringan.
Langkah ekstra yang melibatkan pemancaran gelombang mikro ke bawah menyebabkan kehilangan energi yang besar, menambah pada efisiensi konversi sinar matahari → daya maksimum 30‑40 %.
“Sistem yang kami gunakan dalam demonstrasi memiliki efisiensi ujung‑ke‑ujung sekitar 5 %. Itu tidak akan menjadi operasional yang layak, meskipun sinar matahari gratis. Agar pembangkit surya berbasis luar angkasa masuk akal, efisiensinya harus setidaknya sekitar 20 %.”
Orbit Stabil dan Angin Matahari
Pertanyaan terakhir adalah bagaimana mengelola trajektori orbit pembangkit surya.
Panel surya harus terus‑menerus menyesuaikan posisinya untuk menerima paparan sinar matahari maksimum. Berkas gelombang mikro harus terus‑menerus diarahkan ulang agar mengenai area yang tepat di permukaan Bumi.
Karena ringan dan terpapar sinar matahari secara maksimal, panel surya akan didorong oleh “sayap” matahari dan cahaya. Bahkan, tekanan cahaya ini telah dipertimbangkan untuk membuat layar matahari (sun‑sails) yang menggerakkan pesawat luar angkasa.
Dalam konteks pembangkit tenaga surya orbital yang harus tetap stabil, hal ini mungkin menjadi masalah.
Prospek Keseluruhan Fotovoltaik Luar Angkasa
Banyak masa depan tenaga surya berbasis luar angkasa akan bergantung pada perkembangan industri luar angkasa secara keseluruhan. Beberapa faktor kunci harus bersinergi agar hal ini terwujud:
- Pertumbuhan industri memungkinkan skala dan inovasi menurunkan biaya peluncuran ke tingkat yang dibutuhkan.
- Pengembangan ekonomi industri orbital dan/atau cislunar, setidaknya untuk pemeliharaan dan daur ulang satelit tenaga.
- Manajemen yang tepat atas sampah antariksa dan menjaga orbit tetap zona netral dan damai.
Alternatif untuk Surya Fotovoltaik Luar Angkasa
Surya Terpusat dan Cermin Orbit
Cahaya → daya → gelombang mikro → kembali ke sistem daya secara inheren menyebabkan kehilangan besar, yang sebagian menyeimbangkan output surya yang lebih tinggi di luar angkasa.
Ini merupakan kritik utama terhadap konsep ini, bahkan diadopsi oleh tidak ada orang selain Elon Musk sejak 2012
“Izinkan saya menceritakan salah satu ide saya: tenaga surya luar angkasa. Oke, hal paling bodoh yang pernah ada.
Dan jika ada yang berpikir, seharusnya saya yang menyukainya, itu saya. Saya memiliki perusahaan roket dan perusahaan surya. Saya seharusnya terlibat—saya memang harus terlibat, Anda tahu.”
Tentu saja banyak yang berubah sejak 2012. Harga panel surya dan biaya peluncuran telah jatuh. Dan kebutuhan akan pembangkit tenaga dasar terbarukan jauh lebih besar.
Masih ada alternatif: memantulkan sinar matahari secara langsung alih‑alih menangkapnya dengan panel fotovoltaik. Ini dapat dicapai dengan menempatkan cermin raksasa di orbit.
Satu keunggulan metode ini adalah kita sudah tahu cara membuat cermin ultra‑ringan dan ultra‑tipis di luar angkasa, menggunakan foil aluminium. Karena material hanya perlu memantulkan tanpa elektronik, cermin dapat jauh lebih murah dan ringan per meter persegi dibandingkan sel fotovoltaik.
Ide ini secara khusus didukung oleh Ben Nowack, pendiri Reflect Orbital, SOLSPACE Universitas Glasgow (dengan hibah €2,5 juta dari European Research Council), dan raksasa energi Engie’s Laborelec.
Gagasan ini adalah untuk memberi daya pada ladang surya berbasis darat pada malam hari dengan memancarkan sinar matahari ke arah mereka. Jadi, model bisnisnya adalah “menjual” sinar matahari kepada utilitas surya darat.
Sistem semacam ini tidak dapat menembus awan tetapi dapat menjadi pilihan bagus untuk ladang surya yang dipasang di daerah kering atau gurun.
Potensialnya, konsep ini juga dapat meningkatkan pembangkit fotovoltaik luar angkasa “klasik” dengan cara meningkatkan total energi yang mereka terima sebelum dipancarkan kembali ke Bumi.
Pada 2018, China mengumumkan rencana menggunakan sistem cermin semacam itu untuk menggantikan lampu jalan malam hari pada 2022. Meskipun belum terwujud, ini bisa menjadi cara kreatif menggunakan “surya” berbasis luar angkasa untuk mengurangi konsumsi energi kita pada malam hari ketika terbarukan kurang menghasilkan.
Pabrik Luar Angkasa
Seperti dijelaskan di atas, biaya utama dalam tenaga surya berbasis luar angkasa adalah masalah mengirim ratusan atau ribuan ton material ke orbit. Solusi untuk masalah ini adalah memproduksi panel surya (atau cermin) langsung di luar angkasa, menggunakan sumber daya yang sudah ada di lokasi.
Metode ini akan sepenuhnya menghilangkan biaya mengangkat pembangkit tenaga surya ke orbit dari persamaan. Sebagai gantinya, biaya akan digantikan dengan biaya mengirim hanya peralatan yang diperlukan untuk membuat pabrik panel surya (atau cermin) berbasis luar angkasa.
Salah satu cara untuk melakukannya adalah menangkap asteroid dengan sumber daya yang tepat, menambangnya, dan langsung memproduksi pembangkit tenaga di orbit.
Secara konseptual masuk akal, namun masih sangat spekulatif, karena penambangan asteroid dalam bentuk apapun belum pernah berhasil hingga kini.
Basis Bulan
Bahkan jika pembangkit surya diproduksi di luar angkasa, masalah penyeimbangan dampak angin matahari dari sampah antariksa dan daur ulang akan tetap ada.
Alternatifnya adalah memasang stasiun surya di Bulan. Energi akan dikumpulkan oleh ladang surya masif yang dibangun di Bulan dan kemudian dipancarkan langsung atau tidak langsung ke Bumi. Berkas gelombang mikro dari Bulan juga dapat diarahkan ulang oleh cermin, karena logam memantulkan gelombang mikro.
Sumber: Arizona State University
Dibandingkan satelit surya LEO dan GEO, ini menawarkan beberapa keunggulan:
- Gravitasi: dengan 1/6 gravitasi Bumi, Bulan mungkin jauh lebih bersahabat untuk menyesuaikan proses manufaktur Bumi ke luar angkasa dibandingkan lingkungan tanpa berat sama sekali.
- Sempurna untuk surya: tanpa atmosfer, permukaan Bulan tidak pernah mengalami angin, awan, kabut, es, badai debu, hujan es, dll. Jadi produksi energi akan sangat dapat diandalkan dan dapat diprediksi.
- Pemeliharaan manusia: sistem orbital akan sangat bergantung pada robot untuk perakitan, pemeliharaan, dan daur ulang. Sebaliknya, rencana basis Bulan yang akan datang oleh AS serta China+Rusia akan menyediakan tenaga kerja lokal ketika robot tidak cukup.
- Sumber daya: Bulan adalah benda langit yang masif, kemungkinan mengandung banyak sumber daya. Ini menjadikannya kandidat lebih baik untuk pabrik luar angkasa dibandingkan ide penambangan asteroid yang belum terbukti.
Silicon, aluminium, dan besi dapat diekstraksi secara kimiawi dari tanah bulan untuk pembuatan sel surya. Unsur‑unsur jejak dapat dibawa dari Bumi untuk doping sel surya.
Diperkirakan satu kilogram material yang diangkut dari Bumi ke Bulan akan menghasilkan 200 kali lebih banyak energi listrik ke Bumi dibandingkan satu kilogram satelit tenaga surya.
Namun, ide ini memiliki beberapa keterbatasan.
Secara khusus, Bulan memiliki siklus siang/malam 28 hari, memaksa konsep ini mengandalkan serangkaian pembangkit tenaga yang tersebar di seluruh permukaan Bulan (atau cermin orbital) untuk menghasilkan output kontinu.
Helium 3, Fusi, dan Pembangkit Listrik Bulan
Diskusi lain tentang energi masa depan yang melibatkan Bulan adalah deposit Helium‑3. Unsur yang sangat langka di Bumi dapat secara teoritis memberi daya pada bentuk fusi nuklir ultra‑efisien.
Secara teori, hal ini dapat menjadikan eksplorasi dan penambangan luar angkasa fitur kunci pasokan energi masa depan kita. Dalam praktiknya, fusi masih berada pada tahap eksperimental.
Sumber isotop langka serupa dari hidrogen, helium, dan elemen lain, misalnya di planet gas raksasa Jupiter dan Saturnus, dapat memainkan peran serupa dalam jangka panjang.
Bulan juga dapat dibayangkan sebagai lokasi bagi sistem tenaga yang berpotensi berbahaya namun sangat produktif (khususnya nuklir), menghilangkan konsekuensi kegagalan katastrofik dari Bumi. Namun, kehilangan energi dalam memancarkan kembali sumber daya semacam itu, serta biaya pembangunan di luar angkasa, mungkin membuatnya tidak menguntungkan.
Perusahaan Surya Luar Angkasa
1. Space Solar
Space Solar adalah perusahaan Inggris yang berencana mengembangkan satelit surya luar angkasa 2 GW, CASSIOPeiA. Ini akan menjadi salah satu struktur terbesar yang pernah dibangun manusia, membuat beberapa gedung pencakar langit tertinggi tampak kecil dibandingkan.
Sumber: Space Solar
CASSIOPeiA akan berisi 60.000 panel surya, memiliki berat 2.000 ton, dan mengorbit pada ketinggian geosinkron.
Transmisi daya akan dilakukan menggunakan array fase yang berubah untuk mengarahkan berkas energi. Stasiun darat harus berdiameter 5 km. Teknologi pemancaran daya ini sejauh ini telah didemonstrasikan di Bumi, dengan daya 30 kW. Hal ini tercapai berkat HARRIER, transmisi daya nirkabel 360° pertama yang tidak memerlukan bagian bergerak, faktor kunci untuk keandalan tinggi.
Konsep satelit tenaga akan mengandalkan 2 reflektor surya yang memancarkan kembali sinar matahari ke segmen kolektor pusat.
Sumber: Space Solar
Program ini diperkirakan akan menelan biaya £17 miliar untuk versi pertama, dengan biaya £3,6 miliar untuk iterasi selanjutnya. Ini akan membuatnya setara 1/4 biaya pembangkit nuklir setara 2 GW, perbandingan yang adil mengingat profil beban dasar pembangkit tersebut.
2. Reflect Orbital
Seperti yang disebutkan di atas, Reflect Orbital tidak berusaha menghasilkan daya di orbit. Sebaliknya, bisnisnya bertujuan “menjual” sinar matahari setelah gelap kepada perusahaan surya berbasis darat.
Dengan harga puncak sering muncul tepat setelah matahari terbenam, ketika orang kembali ke rumah tetapi terbarukan tidak beroperasi, ini dapat menjadi strategi yang baik. Selain itu, berkas sinar matahari satelit dapat dengan mudah diarahkan ke lokasi berbeda, memungkinkan arbitrase antara harga di negara berbeda atau cuaca buruk di satu area.
Ini menjadikannya perusahaan menarik untuk diikuti bila konversi sinar matahari menjadi listrik, lalu menjadi gelombang mikro, lalu kembali menjadi listrik ternyata terlalu tidak efisien untuk bersaing dengan surya berbasis darat.
Saat ini, perusahaan sedang mengembangkan satelitnya dan mengumpulkan dana. Untuk menjelaskan konsep lebih baik, mereka juga membuat demo menggunakan balon udara panas setinggi 3 km yang menjadi viral.
Sumber: Reflect Orbital
Perusahaan berencana menguji prototipe pada 2025. Setiap satelit akan memiliki berat hanya 35 pon (16 kg) dan dilengkapi dengan cermin mylar berukuran 33 ft × 33 ft (9,9 m × 9,9 m), yang akan terbuka setelah berada di orbit.
Rencana Reflect Orbital mungkin tidak setinggi teknologi jaringan satelit atau jaringan surya berbasis Bulan. Namun mungkin ini menjadi kekuatan, karena pada dasarnya hanya menggunakan teknologi yang sudah dikenal sepenuhnya dengan cara kreatif, yang telah dikuasai selama puluhan tahun. Ini dapat sedikit mengurangi risiko proyek.
