Framsteg inom solteknik gör rymdbaserade lösningar trovärdiga

Under en ganska lång tid nu har omfattande forskning pågått om sätt att fånga och utnyttja rymdbaserad solkraft. Vetenskapsmän och tekniskexperter tror att rymdbaserad solkraft kan vara en effektiv tillägg till den uppsättning hållbara energikällor som finns tillgängliga. 

Funktionellt sett skulle uppställningen ha energiinsamlings- och skördepaneler på omloppsbanor, som kommer att skicka tillbaka solenergi till sina mottagande motsvarigheter placerade på jorden. Och eftersom det involverar rymden, jorden och överföringsvägen mellan dessa två punkter, måste det bestå av sofistikerade tekniska lösningar. 

Löftesrikt har framstegen inom solteknik världen över gjort produktionen av rymdbaserad solkraft trovärdig. Men innan vi går djupare in i dem, låt oss ta en snabb titt på vad rymdbaserad solkraft och dess fördelar innebär. 

Rymdbaserad solkraft och dess fördelar

Enligt data presenterad av USA:s energidepartement, får vi varje timme på jorden mer solenergi än vi kan använda på ett år. Nästan 30% av denna energi återgår outnyttjad till rymden genom atmosfären. Denna energi kan fångas och användas effektivt om vi får robusta rymdbaserade solkraftmekanismer på plats. 

I detta system kan satellitbaserade solpaneler fånga och överföra mer energi än vad som fångas av solpaneler placerade på jordens yta. De fungerar bättre på grund av de fördelar de har med att befinna sig i rymden. Enligt DEA:s beskrivning: 

“Solpaneler utrustade med energiöverföringssatelliter samlar in högintensiv, oavbruten solstrålning.” 

Försörjningen är oavbruten eftersom det i rymden inte finns några moln och ingen natt. 

Tekniken innebär att man utvecklar jättestora speglar som reflekterar stora mängder solstrålar mot mindre solsamlare så att de kan överföras trådlöst till jorden på ett säkert och kontrollerat sätt antingen som en mikrovågs- eller laserstråle. 

Eftersom denna process involverar sofistikerad teknik, lockar den till sig innovativa lösningar från hela världen. NASA har nu publicerat en rapport om rymdbaserad solkraft för att utrusta sig med “den information den behöver för att bestämma hur den kan stödja utvecklingen av detta forskningsområde.” 

Rapporten försöker bedöma parametrarna som skulle ha en avgörande roll för att göra rymdbaserad solkraft till ett konkurrenskraftigt alternativ, där det slutliga målet skulle vara att uppnå nettonoll utsläpp av växthusgaser. 

Några tekniska flaskhalsar som NASA har identifierat för forskare och tekniker som är aktiva inom detta område att arbeta med är följande:

• De skulle behöva hitta sätt för stora system att monteras och underhållas i omloppsbana.
• Forskning skulle krävas för att göra dessa system att fungera autonomt och ha effektiv energiöverföring för att föra den skördade energin till jorden. 
• NASA-rapporten påpekar också att innan man tar i bruk rymdbaserade solkraftsystem, är det viktigt att hantera kostnaderna för att skjuta upp och bygga dem. Detta beror på att allt det material som skickas ut i rymden skulle kräva många kontinuerliga uppdrag för att transportera infrastrukturen till omloppsbana.

NASA-rapporten tror att rymdbaserade solkraftsystem kan bli fullt produktiva och operativa år 2050. Genom rapporten har några av de viktigaste framstegen i detta område kommit till ljuset. Till exempel har den påmint oss om JAXA-forskare som bevisade att det var möjligt att trådlöst överföra energi exakt som mikrovågor över en anmärkningsvärd distans för att slutligen omvandla den till användbar elektricitet. 

Caltech-forskare, i mars 2023, kom med Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) som den första rymdfarkosten som trådlöst överförde solenergi som skördats i rymden till jorden.

NASA har också erbjudit några uppskattningar om den ekonomiska lönsamheten av rymdbaserad solkraft. Några av experterna som är nära knutna till detta område har ifrågasatt dessa uppskattningar. Men det har knappast funnits någon förnekelse av de fördelar som detta kraftgenereringssystem lovar att leverera. Det kunde hjälpa till i katastrofhjälp, driva avlägsna sensorer och ta bort de befintliga flaskhalsarna i vårt traditionella energiproduktionssystem och dess leveranskedja. 

Nationalregeringar i alla utvecklade länder har börjat investera i det. Stora företag som har resurserna att investera, som Airbus och Northrop Grumman, har också arbetat på det utan avbrott. 

Vi kommer nu att titta på några av deras prestationer i de kommande avsnitten. Men man måste komma ihåg att det är ett utvecklande område och många av företagen fortfarande är i prototypstadiet.

#1. Airbus Power Beaming

Ett av de stora företagen som arbetar med att förbättra soltekniken för att göra rymdbaserade lösningar möjliga är Airbus. Dess Power Beaming-teknik, utvecklad av företagets Central Research & Technology och Blue Sky-avdelningar, har gjort trovärdiga demonstrationer av hur detta kunde vara en spelväxlare i rymdbaserad solteknikscen. 

Enligt Jean-Dominique Coste, som ansvarar för att utveckla Power Beaming tillsammans med Yoann Thueux och deras kollegor: 

“Teknikens potential är att fånga solsken och sedan skicka det trådlöst.” 

Dessa forskare tror att denna energilösning kunde vara kapabel att tillräckligt försörja städer, fabriker, hushåll och flygplan med elektricitet.

Airbus teknikutvecklare demonstrerade först Power Beaming på företagets X-Works Innovation Factory den 27 september 2022. Även om det genomfördes på en mindre skala, kunde demonstrationen tillräckligt förklara vad det tog för att göra power beaming fungera. 

Coste, Thueux och deras kollegor använde mikrovågsstrålning för att överföra grön energi mellan två punkter som representerade “Rymden” och “Jorden”. Avståndet mellan dessa två punkter var 36 meter. Demonstrationen producerade också grön vätgas för att driva en modellstad. 

Efter att demonstrationen var över, sa Yoann Thueux: 

“Nu att vi har testat de viktigaste byggstenarna i ett framtida rymdbaserat solkraftsystem på en liten skala för första gången, är vi nu redo att ta Power Beaming till nästa nivå.”

Airbus förväntar sig att denna teknik kommer att bli verklighet inom kort. Det tror att de första operativa Power Beaming-prototyperna kommer att bli tillgängliga för användning i början av 2030-talet. 

I dess slutliga tillämpade form, skulle tekniken ha en solpanel placerad på geostationär omloppsbana, cirka 36 000 km ovanför jorden. Denna solpanel kommer att paras med en solpanel av samma storlek på jorden. 

Den energi som samlas in i rymden skulle skickas ner över ett område som skulle ha många antenner spridda genom det. Dessa antenner skulle plocka upp strålarna för att energin skulle kunna återmonteras för att producera elektricitet. 

När detta system når en viss skala, skulle det kosta lika mycket att producera energi med det som det kostar i stora energiprojekt på jorden som förlitar sig på kärnkraft, olja eller andra förnybara energikällor. Enligt uppskattningar, skulle en geostationär solgård generera så mycket som två gigawatt elektricitet. 

Den 15 februari 2024, Airbus publicerade sin årsrapport för 2023, med en årsomsättning på 65,4 miljarder euro och ett justerat EBIT på 5,8 miljarder euro. 

#2. Northrop Grumman

Ett annat stort globalt företag som har slutfört nödvändiga tester som validerar dess solrymdtekniska förmågor är Northrop Grumman. Företaget demonstrerade framgångsrikt sin förmåga att skicka radiofrekvensenergi mot olika antenner genom att styra strålen. Det är säker på att komma med sin prototyp år 2025. 

Denna prototyp skulle visa företagets förmåga att skicka RF-energi ner till planeten. Tekniken utvecklas av Northrop Grummans Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR). 

Enligt Tara Theret, programdirektör för SSPIDR: 

“Nu är det bara att bygga, testa och integrera resten av hårdvaran på en utmanande tidslinje.”

Ytterligare arbete som ska göras i denna process inkluderar att minska elektroniska komponenter och öka antalet “sandwich-tiles”. Sandwich-tiles är ingenting annat än fotovoltaiska cellpaneler som samlar solenergi och förmedlar kraft till nästa lager, som har komponenter som möjliggör sol-till-RF-omvandling och hjälper till att forma strålarna. 

Företaget tillverkar också den nödvändiga flyghårdvaran för att sätta samman systemet och skjuta upp det på företagets ESPAStar-plattform. ESPAStar-plattformen är en satellitbuss som ger laster med nödvändig propulsion, kraft, attitydkontroll och kommunikation. 

I en validering av det arbete de har gjort, uppmuntrade det amerikanska flygvapnets forskningslaboratorium Northrop Grummans ansträngningar med ett kontrakt på 100 miljoner dollar år 2018, där de skulle utveckla en last för att demonstrera nyckelkomponenter i prototypen för rymdbaserat solkraftsystem.

Flygvapnets myndigheter syftade till att katalysera utvecklingsansträngningarna som krävs för att bygga en prototyp för rymdbaserat system som kunde ge solkraft till de amerikanska militärbaserna. 

Sammanfattningsvis, i att peka ut den potential som rymdbaserade lösningar i solteknik har för framtiden, sa Tara Theret: 

“Rymdbaserad solkraftsstrålning har potentialen att ge energi var som helst på jorden vid varje tidpunkt. Denna teknik kunde göra det möjligt att få energi till avlägsna områden som behöver medicinsk och kommunikationsutrustning.”

Northrop Grumman registrerade totala försäljning om 36,6 miljarder dollar under året som slutade den 31 december 2022. Intäkterna från rymdsystemströmmen var nära 12,3 miljarder dollar, en anmärkningsvärd ökning från föregående års 10,6 miljarder dollar. Av de 12,3 miljarder dollar i intäkt som genererades 2022, kom 94% från den amerikanska regeringen, medan resten av 3%, 2% och 1% kom från internationella försäljningar, försäljningar till andra kunder och intersegmentförsäljningar, respectively. 

#3. CESI

CESI, baserat i Milano, Italien, har tre decenniers erfarenhet av att genomföra forskning, utveckla och producera solceller som är mycket effektiva för rymdtillämpningar. Mer betydelsefullt är det en av de mest eftertraktade globala leverantörerna av multi-junctions celler som använder Gallium Arsenid och Indium Gallium Fosfid. 

CESI har ett utbud av trippeljunctions solceller. Dessa celler, förutom Gallium Arsenid och Indium Gallium Fosfid, innehåller också Germanium. Dessa celler visar sig vara effektiva för låg jordbana och geostationär bana satelliter. Dessa produkter är också förenliga med de krävda ECSS E ST20-08C standarderna. CESI är nu på väg att lansera fyra junctions celler som kommer att ha högre nivåer av effektivitet än tre junctions celler. 

I framtiden syftar CESI till att erbjuda ett brett utbud av rymdsolcellprodukter som kommer att möta alla krav på rymdprogram. Hittills har CESI:s ansträngningar resulterat i mer än 200 000 solceller, som driver över 70 civila satelliter för kunder spridda över 25 länder. 

CESI har sin egen teknologi för tillverkning av solceller i Milano. Under åren har det byggt ett tätt och djupt nätverk med många internationella rymdmyndigheter och aktörer. 

Liksom Northrop Grumman, arbetar CESI också med den italienska nationalregeringen och har mottagit finansiering från den italienska rymdmyndigheten (ASI) och den europeiska rymdmyndigheten (ESA). Det har tillverkat avancerade solceller för att möta de europeiska rymdprogrammens behov och många interplanetära uppdrag. 

Enligt den senaste tillgängliga finansiella rapporten, genererade företaget en intäkt på mer än 87 miljoner tjeckiska kronor under det finansiella året som slutade den 31 december 2022. 

Framsteg inom rymdsolteknik: Vägen framåt

Rymdsolteknik har funnit sin plats genom att bevisa sin värde för den globala gemenskapen, vilket har lett till att nationalregeringar över hela världen börjat investera i det med stor entusiasm. I USA översattes detta till handling när den amerikanska flottans forskningslaboratorium genomförde ett experiment 2020 för att fånga solsken och omvandla det till direkt likström. Det använde flygvapnets X-37B rymdplan för detta ändamål. 

Samtidigt ökar de internationella ansträngningarna. De kinesiska myndigheterna har satt ambitiösa mål med sin 2028-plan för en rymdbaserad demonstration lett av China Academy of Space Technology. I Europa sticker Solaris ut som ett välfinansierat treårigt forskningsprogram, som har fått grönt ljus från den europeiska rymdmyndigheten. Storbritannien är också med i tävlingen, eftersom det har erbjudit bidrag för studier om att utnyttja solkraft i rymden. 

Tydligtvis har innovativa företag, stora och resursrika globala organisationer och regeringar över hela världen arbetat tillsammans för att fånga och utnyttja den energi som rymden har att erbjuda oss. Med sådan oavbruten, outnyttjad solenergi som väntar på att utnyttjas och utnyttjas för planetens bästa, ser framtiden verkligen lovande ut.

Klicka här för en lista över de tio bästa solaktierna.