에너지
우주 기반 에너지 솔루션을 통한 무한한 청정 에너지
재생 에너지의 한계
에너지 시스템의 탈탄화와 전기화를 위한 현재의 노력은 주로 풍력과 태양광에 의존하고 있다. 지열 에너지와 원자력도 도움이 될 수 있다.
그러나 이러한 각 솔루션에는 몇 가지 제한이 있다:
- 지열은 아직 대규모 생산에 대해 증명되지 않았으며 불균일한 지역 열 자원에 의존한다.
- 원자력은 인기가 없으며 원자로 폐기물이 발생하고 많은 초기 자본이 필요하다. 이것은 그들의 채택을 방해한다. 即使 대부분의 이러한 문제가 4세대 원자력 시스템에 의해 해결될 수 있다 하더라도.
- 재생 에너지는 간헐성으로 인해 녹색 전력망도大量의 돈을 배터리 및 기타 형태의 에너지 저장소에 투자 해야 한다.
태양광의 경우 간헐성은 피할 수 없는 특징으로 보인다. 지구는 밤에 반을 차지하며 구름 덮개는 몇 주 또는 몇 개월 동안 세계의某些 지역에서 전력 출력을 크게 줄일 수 있다. 그리고 이 문제는먼지 또는 눈으로 인한 문제를 논의하기 전에 발생한다.
우리가 밤과 기후 문제를 피하기 위해 우주에 태양광 발전소를 설치한다면 어떻게 될까? 그리고 우주에서 지구 문명의 에너지를 공급할 수 있는 다른 방법은 무엇일까?
우주 기반 태양광 발전
우주 기반 태양광의 첫 번째 주요 특징은 지구를 공전하는 위성은 지구의 그림자에 nunca 있는 궤도에 놓일 수 있으며 24/7을 생산한다. 이것은 생산을 두 배로 늘리고 지상 기반 태양광 발전소에 대한 배터리 요구 사항을 제거한다.
구름이나 겨울로 인한 감소된 생산이 없는 것과 결합하여 간헐성 태양광은 거의 완벽한 기초 부하 전력이 된다.
또 다른 요인은 대기가 구름 없이도 많은 양의 빛을 흡수한다는 것이다. 지구의 기울기와 구형 모양도 적도 지역을 벗어난 지면에 닿는 태양의 양을 줄인다.
궤도 太陽 패널은 이러한 제한의 영향을 받지 않는다. 이러한 모든 요소의 조합으로 인해 궤도上的 太陽 패널은 지상上的 패널보다 40배 더 많은 에너지를 생산 할 수 있다.
작동 원리
우리는 이미 우주에서 태양광을 생산하는 방법을 알고 있다. 거의 모든 인공위성과 국제 우주 정거장을 동력으로 하는 고성능 태양 패널이 이미 존재한다. 이론적으로 우리는 궤도에 더 많은 이러한 태양 패널을 보내고 에너지를 지구로 되돌려 보내는 것만 하면 된다.
출처: Solar.com
驚くことに, 에너지를 되돌려 보내는 부분은 생각보다 어렵지 않다. 지금까지의 주요 개념은 구름에 의해 흡수되지 않는 마이크로파(2.45 GHz)를 사용하는 것이다. 마이크로파는 전용 안테나인 력테나를 통해 전기력으로 다시 변환된다.
또는 전力を 레이저로 되돌려 보낼 수도 있다.
출처: ESA – 유럽 우주 기구
大量의 에너지를 지구 표면으로 되돌려 보내는 것은 조금 우려스럽게 들릴 수 있다. 이것은 과학 픽션의 초강력 레이저를 상상하게 한다. 그러나 실제로는 이러한 빔은 에너지 풍부하지만 표면에 위협이 되지 않을 정도로 충분히 강력하지 않다.
이 시스템의 하나의优势은 태양 패널에서 생성된 DC 전력이 직접 빔으로 사용될 수 있으며, AC 전력은 지상에서만 그리드에 전기력을 주입하기 위해 생성된다는 것이다.
왜 지금인가?
태양광 비용
궤도 태양광 발전소의 생산은 오래된 아이디어이다. 그러나 이제야 비로소 실현 가능해 보인다.
첫 번째 이유는 태양 패널의 비효율성과 비용의 감소이다. 이것은 지상에서도 태양광을 실현 가능하게 만든 동일한 요인이다.
출처: News Channel 3
기술의 추가적인 발전으로 인해 변환 효율성이 더욱 증가할 수 있다. 현재 일반적으로 사용되는 지상 태양 패널은 20-23%의 효율성을 가지고 있다. 우주에서 사용되는 패널은 종종 30%의 효율성을 가지고 있으며, 추가적인 이익이 예상된다.
“현재 우주에서 사용되는 패널은 30%의 효율성을 가지고 있으며, 다음 20년 안에 40%에 이를 것으로 예상된다.”
발사 비용
또 다른 문제는 궤도에 도달하는 비용이다. 거의 스페이스X의 재사용 로켓 성과에 의해 주도되는 궤도에 도달하는 비용은 이미 10배로 감소했다.
출처: Ark Invest
발사 비용이 £7,716/kg일 때, 이는 약 £154/와트의 “설치 비용”을 나타내며, 지상에서는 £2-1.5에 해당한다. 그러나 발사 비용이 충분히 낮아지면, 이것은 우주 기반 태양광을 경제적으로 실현 가능하게 만든다. 그리고 엘론 머스크는 장기적으로 $100/kg을 목표로 하고 있다. 이것은 거대한 스타십의 완전한 재사용성 덕분에 가능하다.
우주 기반 태양광 발전의 제한
가격 및 발사 비용
위에서 설명한 대로, 태양광 발전은 발사 비용이 크게 감소할 때만 실현 가능하다. 그러나 이러한 감소가 얼마나 빠르게 달성될 수 있는지 불분명하다.
이것은 우주 기반 태양광의 채택을 상당히 지연시킬 수 있다. 대규모 프로토タイプ 프로젝트(메가와트 규모)는 2025-2030년 이전에 예상되지 않는다. 기가와트 규모의 시스템을 구축하기 전까지는重大한 영향이 발생하지 않을 것이다.
궤도 혼잡
또 다른 문제는 궤도에서 태양 패널의 실제 내구성이다. 우주는 높은 복사선 환경이며, 패널은 시간이 지남에 따라 열화된다. 마이크로파 안테나와 같은 전자 부품도 마찬가지이다.
또한, 궤도 공간은 점점 더 혼잡해지고 있다. 우주 쓰레기가 심각한 문제가 되고 있으며, 저고도 우주 궤도 위성군은 지구 주위를 도는 물체의 수를 지수적으로 증가시키고 있다.
우주 기반 태양광 발전소는 수백 평방 킬로미터의 표면적을 차지할 것이므로 우주 쓰레기와 충돌할 가능성이 높다. 심지어 미세隕石도 충분한 표면적과 시간이 주어지면 문제가 될 수 있다.
최악의 경우, 주요 충돌은 더 많은 쓰레기를 생성할 것이며, 이는 우주에서 대부분의 인공위성을 파괴하는 치명적인 연쇄 반응인 케슬러 신드롬을 일으킬 수 있다.
현재 케슬러 신드롬은 충분히 손상될 것이다. 통신, 우주 기반 영상, 과학, 및 초기 경고 핵무기 탐지 시스템을 파괴할 것이다.
그러나 지구의 대부분의 에너지가 궤도 태양광 발전소에서 공급된다면 그러한 사건은 훨씬 더 파괴적일 것이다.
내구성 및 재활용
저고도 궤도에 있는 위성 궤도는 상당히 빠르게 감소한다. 따라서 태양광 발전소는 더 높은 궤도, 즉 지구 정지 궤도(GEO)로 밀어야 하며, 이는 발사 용량이 더 많이 필요하므로 비용을 증가시킨다.
이것은 또한 재활용 가능성을 의문시한다. 이러한 태양 패널은 귀중하고 비갱신 자원을大量으로 소비할 것이며, 이는銀을 포함한다.
따라서 장기적으로, 모든 대규모 太陽광 발전소 인프라는 패널을 궤도에 유지하거나 지구로 충돌시키는 대신에 재활용하는 방법을 마스터해야 한다.
마지막으로, 물질을 궤도에 올리는 것은 매우 에너지 집약적인 과정이다. 따라서 높은 효율성을 가진 로켓만이 이 과정을 실현 가능하게 할 것이다. 이것은 궤도 太陽 패널이 제조에 사용된 에너지뿐만 아니라 궤도에 올리는 에너지도 “상환”할 수 있게 할 것이다.
에너지 손실
우주 太陽 패널은 지상보다 더 많은 에너지를 받는다. 그러나 지상보다 더 많은 단계를 거쳐서 그리드에 전력을 공급해야 한다:
- 지상 기반: 태양광 수집 -> DC를 AC로 변환 -> 그리드에 전력 공급
- 우주 기반: 태양광 수집 -> 마이크로파로 변환 -> 마이크로파를 다시 전기로 변환 -> DC를 AC로 변환 -> 그리드에 전력 공급
마이크로파를 빔으로 내보내는 여러 추가 단계는大量의 에너지 손실을 유발하며, 최대 30-40%의 태양광 -> 전력 변환 효율성을 추가한다.
“우리가 사용한 시스템은 약 5%의 종단 간 효율성을 가지고 있었다. 이것은 운영적으로 실현 가능하지 않다. 우주 기반 태양광 발전소가 의미 있으려면 효율성이 적어도 20%는 되어야 한다.”
안정적인 궤도 및 태양 바람
마지막으로 태양광 발전소의 궤도 궤적을 관리하는 방법이 있다.
태양 패널은 지속적으로 위치를 조정하여 최대 태양 노출을 받야 한다. 마이크로파 빔은 지구 표면의 올바른 영역에 충돌하도록 지속적으로 재지정되어야 한다.
그들의 경량과 최대 태양 노출로 인해, 태양 패널은 태양 날개와 빛에 의해 밀려날 것이다. 실제로, 이 빛의 압력은 우주선 추진을 위한 태양帆을 생성하는 데 사용되었다.
우주 기반 태양광 발전소의 contexto에서, 이것은 안정성을 유지하는 데 문제가 될 수 있다.
우주 광전지의 전망
우주 기반 태양광 발전의 미래는 우주 산업의 발전에 크게 의존할 것이다. 몇 가지 주요 요인이 함께 작동해야 한다:
- 산업의 성장은 규모와 혁신을 가능하게 해서 발사 비용을 필요한 수준으로 낮춘다.
- 궤도 및/또는 지구 주변 산업 경제의 개발, 최소한 유지 보수 및 위성의 재활용을 위해.
- 우주 쓰레기와 궤도를 중립적이고 평화로운 영역으로 유지하는 적절한 관리.
광전지 우주 태양의 대안
집중 태양 및 궤도 미러
빛 -> 전력 -> 마이크로파 -> 다시 전력으로의 시스템은 본질적으로大量의 손실을 유발한다. 이것은 우주에서 더 높은 태양광 출력을 부분적으로 상쇄한다.
이것은 이 개념에 대한 핵심적인 비판이다. 심지어 2012년 엘론 머스크 자신이 제기한 것이다.
“제가 하나의 아이디어를 말해드리겠습니다. 우주 태양광. 좋지 않습니다.
만약有人이 우주 태양광을 좋아해야 한다면, 그것은 나입니다. 나는 로켓 회사를 가지고 있고, 태양광 회사를 가지고 있습니다. 나는 정말로 그것에 대해 열중해야 합니다.”
물론 2012년 이후 많은 것이 변경되었다. 태양 패널의 가격과 발사 비용이 급격히 떨어졌다. 그리고 재생 가능 기반 부하 전력 생성의 필요성은 훨씬 더 크다.
그러나 대안이 있을 수 있다. 태양광을 직접 반사하는 대신에, 궤도에 거대한 미러를 설치하는 것이다.
이 방법의 하나의优势은 우주에서 초경량 및 초박형 미러를 만들 수 있다는 것이다. 알루미늄 포일을 사용하여 반사만 필요하므로 전자 부품이 필요 없는 태양광 패널보다 더 저렴하고 가볍다.
이dea는 주로 벤 노와크, 리플렉터 오비탈의 창립자에 의해 주장되고 있다. 글래스고 대학교의 SOLSPACE(유럽 연구 이사회로부터 250만 유로의 보조금을 받음)와 에너지 기업 엔지의 라보렐렉이 후원한다.
이dea는 지상 기반 태양광 농장에 밤에 태양광을 비추는 것이다. 따라서 비즈니스 모델은 지상 태양광 유틸리티에 “태양광”을 판매하는 것이다.
이러한 시스템은 구름을 통과할 수 없지만, 건조 또는 사막 지역에 설치된 태양광 농장에 훌륭한 옵션이 될 수 있다.
이 개념은 또한 “클래식” 우주 기반 태양광 발전소를 저렴하게 증가시킬 수 있다. 태양광을 받기 전에 빔을 내보낸다.
2018년, 중국은 2022년까지 밤에 가로등을 대체하기 위해 이러한 미러 시스템을 사용할 계획을 발표했다. 이것이 이루어지지 않았지만, 우주 기반 “태양광”을 사용하여 밤에 재생 에너지가 부족할 때 에너지 소비를 줄이는 창의적인 방법이 될 수 있다.
우주 공장
위에서 설명한 대로, 우주 기반 태양광 발전의 주요 비용은 수백 또는 수천 톤의 물질을 궤도에 올려야 하는 문제이다. 이 문제를 해결하는 방법은 직접 궤도에서 태양 패널(또는 미러)을 생산하는 것이다. 이미 현장에 있는 자원을 사용하여 생산한다.
이 방법은 궤도에 태양광 발전소를 올리는 비용을 완전히 제거한다. 대신, 궤도에서 태양광 패널(또는 미러) 공장을 생성하는 데 필요한 장비를 올리는 비용으로 대체한다.
一种 방법은 적절한 자원을 가진 소행성을 캡처하여 채굴하고 직접 궤도에서 발전소를 생산하는 것이다.
개념적으로는 합리적이지만, 아직 매우 추측적이다. 아직 소행성 채굴이 이루어진 적이 없기 때문이다.
달 기지
即使 太陽광 발전소가 우주에서 생산된다 하더라도, 太陽 바람의 영향과 우주 쓰레기로부터의 안정성 및 재활용의 문제는 남아 있다.
대안은 太陽광 발전소를 달에 설치하는 것이다. 에너지는 달에 설치된 거대한 太陽광 농장에서 수집되고 마이크로파 빔으로 지구로 전송된다. 달에서来的 마이크로파 빔은 또한 미러로 재지정될 수 있다.
출처: 아리조나 주립 대학교
달에 太陽광 발전소를 설치하는 것은 저고도 및 지구 정지 궤도 太陽광 위성보다 몇 가지优势을 제공한다:
- 중력: 지구의 1/6의 중력으로, 달은 우주보다 지상의 제조 공정을 더 쉽게 적용할 수 있다.
- 태양광에 적합: 대기가 없기 때문에, 달의 표면은 바람, 구름, 안개, 얼음, 모래 폭풍, 우박 등으로 인해 에너지 생산이 매우 신뢰할 수 있고 예측 가능하다.
- 인간 유지 보수: 궤도 시스템은 완전히 로봇에 의존해야 하지만, 미국과 중국+러시아의 달 기지 계획은 로봇이 충분하지 않을 때 현지 인력을 제공할 것이다.
- 자원: 달은大量의 자원을 가지고 있을 것으로 예상되며, 이것은 소행성 채굴의 미증유한 아이디어보다 우주 공장에 더好的 후보이다.
규소, 알루미늄, 철은 太陽광 셀의 제조를 위해 달의 토양에서 화학적으로 추출될 수 있다. 도핑 太陽광 셀을 위한 미세 원소는 지구에서 가져올 수 있다.
지구로 전기력을 전송하기 위한 1kg의 물질은 太陽광 위성보다 200배 더 많은 전기력을 제공할 수 있다.
그러나 이 아이디어에는 몇 가지 제한이 있다.
특히, 달은 28일의 주기적인 밤과 낮을 가지고 있으므로, 이러한 개념은 지속적인 출력을 생성하기 위해 달의 전체 표면에 걸쳐있는 일련의 발전소를 필요로 할 것이다.
헬륨 3, 융합, 달 발전소
달과 관련된 또 다른 에너지 토론은 헬륨 3의 보유이다. 지구上的 매우 희귀한 원소 이론적으로 超高効率의 핵융합을 구동할 수 있다.
이론적으로, 이것은 우주 탐사와 채굴이 우리의 미래 에너지 공급의 핵심 기능이 될 수 있다. 그러나 실제로는 융합은 아직 실험 단계에 있다.
목성과 토성과 같은 가스 거대 행성의 유사한 이소토프 공급원은 장기적으로 유사한 역할을 할 수 있다.
달은 또한 잠재적으로 위험하지만 매우 생산적인 발전소(특히 원자로)의 위치가 될 수 있다. 이것은 지구에서 발생할 수 있는 참사적인 故障의 결과를 제거할 것이다. 그러나 이러한 원천의 에너지를 다시 지구로 빔으로 내보내는 에너지 손실과 우주에서 건설하는 비용으로 인해 이것은 불리할 수 있다.
우주 태양 회사
1. 스페이스 솔라
스페이스 솔라는 2GW의 우주 태양광 위성을 개발하고 있는 영국 회사이다. 이것은 인류가 건축한 가장 큰 구조 중 하나가 될 것이다.
출처: 스페이스 솔라
CASSIOPeiA는 60,000개의 太陽 패널을 포함하고, 2,000톤의 중량을 가지며, 지구 정지 궤도에 위치할 것이다.
전력 전송은 빔을 목표로 하는 위상 배열을 사용하여 수행될 것이다. 지상 스테이션은 5km의 직경이 필요할 것이다. 전력 빔 기술은 이미 지상에서 30kW의 전력을 사용하여 시연되었다.
이 개념은 太陽광 패널에서 다시 전기로 변환되는 마이크로파를 사용하여 전력을 되돌려 보낸다.
출처: 스페이스 솔라
프로그램의 비용은 첫 번째 버전에 대해 17억 파운드이며, 이후 반복에는 3.6억 파운드의 비용이 필요할 것이다. 이것은 2GW의 원자로 발전소와 비교하여 1/4의 비용이 될 것이다.
2. 리플렉터 오비탈
위에서 언급한 대로, 리플렉터 오비탈은 궤도에서 전력을 생성하는 것을 목표로 하지 않는다. 대신, 지상 기반 太陽광 회사에 “밤에 태양광”을 판매하는 것을 목표로 한다.
이것은 피크 가격이 종종 일몰 후에 발생하며, 사람들이 집으로 돌아오지만 재생 에너지가 오프라인인 경우에 좋은 전략이 될 수 있다. 또한 위성의 태양광 빔은 쉽게 다른 지역으로 재지정될 수 있다.
이 회사는 현재 위성을 개발하고 자금을 모으고 있다. 개념을 더 잘 설명하기 위해, mereka는 3km 높이의 열기구를 사용하여 시연을 했다.
출처: 리플렉터 오비탈
리플렉터 오비탈의 계획은 전체 우주 또는 달 기반 太陽광 위성 네트워크보다 덜 고급 기술일 수 있다. 그러나 이것은 또한 프로젝트를 더 낮은 위험으로 만들 수 있다.
