Vooruitgang in zonne‑technologie maakt ruimtegebaseerde oplossingen haalbaar

Al geruime tijd wordt er uitgebreid onderzoek gedaan naar manieren om ruimtegebaseerde zonne‑energie te vangen en te benutten. Wetenschappers en technologische experts geloven dat ruimtegebaseerde zonne‑energie een efficiënte aanvulling kan zijn op de beschikbare reeks duurzame energiebronnen. 

Functioneel zou de opstelling energie‑verzamel‑ en oogstpanelen op een baanhoogte hebben, die zonne‑energie terugzenden naar hun ontvangende tegenhangers op planeet Aarde. En aangezien het ruimte, de aarde en de transmissieroute tussen deze twee punten omvat, moet het bestaan uit geavanceerde technologische oplossingen. 

Bemoedigend hebben de wereldwijd geboekte vooruitgangen in zonne‑technologie de productie van ruimtegebaseerde zonne‑energie haalbaar gemaakt. Maar voordat we dieper ingaan, laten we eerst kort bekijken wat ruimtegebaseerde zonne‑energieoplossingen betekenen en wat hun voordelen zijn. 

Ruimtegebaseerde zonne‑energie en de voordelen ervan

Volgens gegevens van het Amerikaanse ministerie van Energie ontvangen we elk uur op aarde meer zonne‑energie dan we in een jaar kunnen gebruiken. Bijna 30 % van deze energie wordt door de atmosfeer ongebruikt terug de ruimte in gestuurd. Deze energie kan efficiënt worden opgevangen en benut als we robuuste ruimtegebaseerde zonne‑energiemechanismen implementeren. 

In dit systeem kunnen satelliet‑gebaseerde zonnepanelen meer energie opvangen en overbrengen dan de zonnepanelen op het aardoppervlak. Ze presteren beter dankzij de voordelen van hun locatie in de ruimte. Volgens de beschrijving van de DOE zijn deze: 

“Satellieten uitgerust met zonnepanelen en energie‑transmissie verzamelen intensieve, ononderbroken zonne‑straling.” 

De levering is ononderbroken omdat er in de ruimte geen wolken en geen nacht is. 

De technologie omvat het inzetten van gigantische spiegels die enorme hoeveelheden zonnestralen reflecteren naar kleinere zonne‑collectoren, zodat ze draadloos naar de aarde kunnen worden gestuurd op een veilige en gecontroleerde manier als een microgolf‑ of laserstraal. 

Aangezien dit proces geavanceerde technologie vereist, trekt het innovatieve oplossingen van over de hele wereld aan. NASA heeft nu een rapport over ruimtegebaseerde zonne‑energie gepubliceerd om zichzelf uit te rusten met de ‘informatie die nodig is om te bepalen hoe zij de ontwikkeling van dit onderzoeksveld kan ondersteunen.’

Het rapport probeert de parameters te beoordelen die een cruciale rol spelen bij het maken van ruimtegebaseerde zonne‑energie tot een concurrerende optie, waarbij het uiteindelijke doel is om netto‑nul broeikasgasemissies te bereiken. 

Enkele technologische knelpunten die NASA heeft geïdentificeerd voor onderzoekers en technici die in dit veld actief zijn, zijn als volgt: 

• Ze moeten manieren vinden om grote systemen in een baan te assembleren en te onderhouden.
• Er is onderzoek nodig om die systemen autonoom te laten werken en efficiënte energie‑overdracht te realiseren om de geoogste energie naar de aarde te brengen. 
• Het NASA‑rapport benadrukt ook dat voordat ruimtegebaseerde zonne‑energiesystemen in gebruik worden genomen, het belangrijk is de kosten van lancering en bouw aan te pakken. Dit komt omdat het verzenden van al dat materiaal de ruimte vele doorlopende missies vereist om de infrastructuur in een baan te brengen.

Het NASA‑rapport gelooft dat ruimtegebaseerde zonne‑energiesystemen tegen 2050 volledig productief en operationeel kunnen zijn. Door het rapport komen enkele mijlpaal‑vooruitgangen in dit veld aan het licht. Bijvoorbeeld, het herinnert ons aan de JAXA‑wetenschappers die bewezen hebben dat het mogelijk is om energie nauwkeurig als microgolven draadloos over een aanzienlijke afstand te verzenden en uiteindelijk om te zetten in bruikbare elektriciteit. 

Voortbouwend op deze prestatie ontwikkelden Caltech‑wetenschappers in maart 2023 de Space Solar Power Demonstrator (SSPD‑1) als het eerste ruimtevaartuig dat draadloos zonne‑energie, geoogst in de ruimte, naar de aarde kan overbrengen.

NASA heeft ook enkele schattingen gegeven over de economische haalbaarheid van ruimtegebaseerde zonne‑energie. Sommige experts die al lange tijd nauw met dit gebied verbonden zijn, hebben die schattingen eveneens uitgedaagd. Er is echter nauwelijks ontkenning van de voordelen die dit opwekkingssysteem belooft te leveren. Het kan helpen bij rampenbestrijding, het aandrijven van afgelegen sensoren en het wegnemen van de bestaande knelpunten in ons traditionele energieproductiesysteem en de toeleveringsketen. 

Gezien de voordelen hebben nationale overheden van alle ontwikkelde landen begonnen te investeren. Grote bedrijven met de middelen om te investeren, zoals Airbus en Northrop Grumman, werken er ook onvermoeibaar aan. 

We zullen nu enkele van hun prestaties in de komende segmenten bekijken. Houd er echter rekening mee dat het een zich ontwikkelend gebied is en veel inspanningen zich nog in de prototype‑fase bevinden.

#1. Airbus Power Beaming

Een van de belangrijkste bedrijven die werken aan de vooruitgang van zonne‑technologie om ruimtegebaseerde oplossingen mogelijk te maken is Airbus. De Power Beaming‑technologie, ontwikkeld door de Central Research & Technology‑ en Blue Sky‑afdelingen van het bedrijf, heeft geloofwaardige demonstraties geleverd van hoe dit een game‑changer kan zijn in de ruimtegebaseerde zonne‑technologie. 

Volgens Jean‑Dominique Coste, die samen met Yoann Thueux en hun collega’s verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van Power Beaming: 

“Het potentieel van de technologie is om zonlicht op te vangen en vervolgens draadloos te verzenden.” 

Deze wetenschappers geloven dat deze energieoplossing in staat zou kunnen zijn om steden, fabrieken, huishoudens en vliegtuigen adequaat van elektriciteit te voorzien.

De Airbus‑technologieontwikkelaars demonstreerden Power Beaming voor het eerst in de X‑Works Innovation Factory van het bedrijf op 27 september 2022. Hoewel het op kleinere schaal werd uitgevoerd, kon de demonstratie voldoende uitleggen wat er nodig is om power beaming te laten werken. 

Coste, Thueux en hun collega’s gebruikten microgolf‑beaming om groene energie over te dragen tussen twee punten die ‘Ruimte’ en ‘Aarde’ vertegenwoordigden. De afstand tussen deze twee punten was 36 meter. De demonstratie produceerde ook groene waterstof om een modelstad van stroom te voorzien.

Na afloop van de demonstratie zei Yoann Thueux: 

“Nu we voor het eerst op kleine schaal met succes de sleutelcomponenten van een toekomstig ruimtegebaseerd zonne‑energiesysteem hebben getest, zijn we klaar om Power Beaming naar het volgende niveau te tillen.”

Airbus verwacht dat deze technologie binnenkort werkelijkheid wordt. Het gelooft dat de eerste operationele Power Beaming‑prototypes in het begin van de jaren 2030 beschikbaar zullen zijn. 

In de uiteindelijke toegepaste vorm zou de technologie een zonnepaneel op een geostationaire baan, ongeveer 36.000 km boven de aarde, plaatsen. Dit zonnepaneel zou worden gekoppeld aan een zonnepaneel van dezelfde grootte op aarde. 

De in de ruimte verzamelde energie zou naar beneden worden gezonden over een gebied met vele verspreide antennes. Deze antennes zouden de stralen opvangen zodat de energie kan worden herbouwd tot elektriciteit. 

Zodra dit systeem een bepaalde schaal bereikt, zou het dezelfde kosten hebben om energie te produceren als grote energieprojecten op aarde die afhankelijk zijn van kernenergie, olie of andere hernieuwbare energiebronnen. Volgens schattingen zou één geostationaire zonne‑farm tot twee gigawatt elektriciteit kunnen genereren. Op 15 februari 2024 publiceerde Airbus zijn volledige jaarresultaten 2023, met een omzet van 65,4 miljard en een aangepaste EBIT van 5,8 miljard euro. 

#2. Northrop Grumman

Een andere grote wereldwijde entiteit die de nodige tests heeft voltooid om haar capaciteiten op het gebied van zonne‑ruimte‑technologie te valideren, is Northrop Grumman. Het bedrijf heeft met succes aangetoond dat het radiofrequentie‑energie kan richten op verschillende antennes door de straal te sturen. Het is ervan overtuigd een prototype te presenteren tegen 2025. 

Dit prototype zou de capaciteit van het bedrijf tonen om RF‑energie naar de planeet te stralen. De technologie wordt ontwikkeld door Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR). 

Volgens Tara Theret, programmadirecteur van SSPIDR: 

“Nu is het alleen nog bouwen, testen en integreren van de rest van de hardware binnen een uitdagende tijdlijn.”

Vervolgwerk omvat het verkleinen van elektronische componenten en het opschalen van het aantal ‘sandwich‑tegels.’ Sandwich‑tegels zijn simpelweg fotovoltaïsche celpanelen die zonne‑energie verzamelen en stroom naar de volgende laag overbrengen, met componenten die zonne‑naar‑RF‑conversie mogelijk maken en helpen bij het vormen van de stralen. 

Het bedrijf vervaardigt ook de benodigde vlucht‑hardware om het systeem in elkaar te zetten en te lanceren op het ESPAStar‑platform van het bedrijf. Het ESPAStar‑platform is een satellietbus die payloads voorziet van de noodzakelijke voortstuwing, energie, attitude‑controle en communicatie. 

Ter bevestiging van het werk heeft het US Air Force Research Laboratory de inspanningen van Northrop Grumman gestimuleerd met een contract van 100 miljoen US$ in 2018, waarin een payload wordt ontwikkeld om de sleutelcomponenten van het prototype‑ruimte‑zonne‑energiesysteem te demonstreren. 

De autoriteiten van de luchtmacht wilden de ontwikkelingsinspanningen katalyseren die nodig zijn om een prototype‑ruimte‑systeem te bouwen dat de Amerikaanse militaire bases van zonne‑energie kan voorzien. 

Al met al, wijzend op het potentieel dat ruimtegebaseerde oplossingen in zonne‑technologie voor de toekomst bieden, zei Tara Theret: 

“Ruimte‑zonne‑energie‑beaming heeft het potentieel om overal op aarde op elk moment energie te leveren. Deze technologie kan stroom beschikbaar maken voor afgelegen locaties die medische en communicatietechnologie nodig hebben.”

Northrop Grumman geregistreerde totale verkopen van 36,6 miljard US$ in het jaar dat eindigde op 31 december 2022. De omzet uit de Space Systems‑tak bedroeg bijna 12,3 miljard US$, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de 10,6 miljard US$ van het voorgaande jaar. Van de 12,3 miljard US$ omzet in 2022 kwam 94 % van de Amerikaanse overheid, terwijl de overige 3 %, 2 % en 1 % afkomstig waren van internationale verkopen, verkopen aan andere klanten en intersegment‑verkopen, respectievelijk. 

#3. CESI

CESI, gevestigd in Milaan, Italië, heeft drie decennia ervaring in het uitvoeren van onderzoek, ontwikkeling en productie van zonnecellen die zeer efficiënt zijn voor ruimte‑toepassingen. Bovendien is het een van de meest gewilde wereldwijde leveranciers van multijunction‑cellen die Gallium Arsenide en Indium Gallium Phosphide gebruiken. 

CESI heeft een reeks drievoudige junction‑ruimtecellen. Deze cellen bevatten, naast Gallium Arsenide en Indium Gallium Phosphide, ook germanium. Deze cellen blijken effectief voor Low Earth Orbit‑ en geostationaire orbit‑satellieten. Deze producten voldoen ook aan de vereiste ECSS‑normen E ST20‑08C. CESI is nu bezig vier‑junction‑cellen uit te rollen die een hoger efficiëntieniveau hebben dan drievoudige junction‑cellen. 

In de toekomst streeft CESI ernaar een breed scala aan ruimte‑zonnecelproducten aan te bieden die aan elke ruimte‑programmareis voldoen. Tot nu toe hebben de inspanningen van CESI geresulteerd in meer dan 200.000 zonnecellen, die meer dan 70 civiele satellieten van stroom voorzien voor klanten in 25 landen. 

CESI heeft eigen technologie om zonnecellen in Milaan te vervaardigen. In de loop der jaren heeft het een hecht en uitgebreid netwerk opgebouwd met vele internationale ruimteagentschappen en actoren. 

Net als Northrop Grumman werkt CESI ook samen met de Italiaanse nationale overheid en heeft financiering ontvangen van de Italiaanse Nationale Ruimteagentschap (ASI) en de Europese Ruimteagentschap (ESA). Het heeft geavanceerde zonnecellen vervaardigd om te voldoen aan de behoeften van het Europese ruimteprogramma en die van vele interplanetaire missies. 

Volgens de laatst beschikbare financiële openbaarmaking heeft het bedrijf een omzet van meer dan 87 miljoen Tsjechische kronen behaald in het boekjaar dat eindigde op 31 december 2022. 

Vooruitgang in ruimte‑zonne‑technologie: de weg vooruit

Ruimte‑zonne‑technologie heeft haar plaats gevonden door haar waarde voor de wereldgemeenschap te bewijzen, waardoor nationale overheden wereldwijd met veel enthousiasme zijn begonnen te investeren. In de Verenigde Staten kwam dit tot uiting toen het Naval Research Laboratory in 2020 een experiment uitvoerde om zonlicht op te vangen en om te zetten in gelijkstroom‑elektrische energie. Hiervoor werd het X‑37B‑ruimtevliegtuig van de luchtmacht gebruikt. 

Intussen winnen internationale inspanningen ook aan momentum. De Chinese autoriteiten hebben ambitieuze doelen gesteld met hun 2028‑plan voor een ruimtegebaseerde demonstratie onder leiding van de China Academy of Space Technology. In Europa valt Solaris op als een goed gefinancierd driejarig onderzoeksprogramma, dat groen licht heeft gekregen van de European Space Agency. Het Verenigd Koninkrijk is ook in de race, aangezien het subsidies biedt voor studies over het benutten van zonne‑energie in de ruimte. 

Het is duidelijk dat innovatieve bedrijven, grote en goed gefinancierde wereldwijde organisaties en overheden over de hele wereld samenwerken om de energie die de ruimte ons biedt te vangen en te benutten. Met zo’n ononderbroken, ongebruikte zonne‑energie die wacht om te worden benut voor het voordeel van de planeet, ziet de toekomst er inderdaad veelbelovend uit. 

Klik hier voor een lijst van de top tien zonne‑energie‑aandelen.