Energi
Rymdbaserade energilösningar för oändlig ren energi
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Att driva förnybar energi högre
The push to decarbonize and electrify our energy systems is currently relying on renewables, especially wind and solar. Geothermal energy and nuclear power might help as well.
Unfortunately, each of these solutions suffers from some limitations:
- Geotermisk energi är fortfarande ganska oprövad när det gäller produktion i stor skala och beror på ojämna lokala värmeresurser.
- Nuclear is unpopular, produces nuclear waste, and requires a lot of upfront capital. This hinders its adoption, even if de flesta av dessa problem kan lösas av 4egenerationens kärnkraftssystem.
- Renewables suffer from intermittence, forcing greening power grids to also invest massive sums i batterier och andra former av energilagring.
When it comes to solar power, the intermittency seems an unavoidable feature, with Earth at night half of the time. To compound this issue, cloud coverage can drastically reduce the power output for weeks or even months in some regions of the world, and that is before discussing the problems caused by dust or snow.
What if to avoid nighttime and climatic issues, we were to put our solar power base into space? How would this work? And is there another way to power Earth’s civilizations from space?
Rymdbaserad solenergi
Den första nyckelfunktionen för rymdbaserad solenergi är att kraftsatelliterna, när de kretsar kring jorden, kan placeras i en bana som aldrig befinner sig i jordens skugga, vilket ger produktion dygnet runt. Detta fördubblar inte bara produktionen, utan eliminerar även behovet av batterier för markbaserade solenergianläggningar.
Kombinerat med avsaknaden av minskad produktion på vintern eller på grund av moln blir intermittent solenergi nästan perfekt baslastkraft.
En annan faktor är att atmosfären absorberar en stor del av solens ljus även utan moln. Jordens lutning och sfäriska form minskar också mängden sol som når marken bort från ekvatorialregionen.
Orbitala solpaneler lider inte av någon av dessa begränsningar. Tack vare alla dessa faktorer kombinerat, en solpanel i omloppsbana kan producera upp till 40 gånger mer än en på marken.
Hur fungerar det?
Vi vet redan hur man producerar solenergi i rymden, med högpresterande solpaneler som redan driver praktiskt taget alla satelliter och ISS. I teorin skulle vi bara behöva skicka upp många fler sådana solpaneler i omloppsbana och skicka energin tillbaka till jorden.
Källa: Solar.com
Överraskande nog är återförseln av kraft inte så svår som man kan föreställa sig. Det dominerande konceptet hittills är att använda mikrovågor (2,45 GHz), som inte absorberas av moln. Mikrovågorna absorberas sedan och omvandlas tillbaka till elektricitet tack vare en speciell typ av antenn som kallas en rectenna.
Alternativt kan kraft också strålas tillbaka med laser.
Källa: ESA – European Space Agency
Att stråla en enorm mängd energi tillbaka ner till jordens yta kan låta lite oroande. Det tenderar att skapa bilden av en science fiction‑supervillain‑dödsstråle. I praktiken skulle en sådan stråle dock vara energirik men inte alls tillräckligt kraftfull för att utgöra en fara för ytan.
Det bör noteras att en av fördelarna med detta system är att den likström (DC) som skapas av solpanelerna kan användas direkt för att stråla ner den, medan växelström (AC) endast genereras på marken för att injicera elektriciteten i nätet.
Varför nu?
Solkostnader
Producing power from orbital solar plants is an old idea. But it is only now that it is starting to look like it could become viable.
Den första anledningen är den ökande ineffektiviteten och de minskande kostnaderna för solpaneler, vilka är samma faktorer som gjorde dem till ett genomförbart alternativ på marken.
Källa: News Channel 3
Ytterligare teknologisk utveckling kan leda till att omvandlingseffektiviteten ökar ytterligare. För närvarande har de vanligt använda markbaserade solpanelerna en verkningsgrad på 20–23 %. De som används i rymden ligger ofta så högt som 30 %, eftersom den extra kostnaden kompenseras av mindre vikt att transportera till omloppsbana, med ytterligare förbättringar förväntade.
“Nuvarande paneler som används i rymden uppnår en verkningsgrad på omkring 30 % vid omvandling av solljus till elektricitet, och under de kommande 20 åren förväntar vi oss att de når 40 %”
Launchkostnader
Den andra elefanten i rummet är de fallande kostnaderna för att nå omloppsbana, nästan helt drivet av SpaceX (SPCX ):s framsteg med återanvändbara raketer. Denna kostnad har redan delats med 10 och förväntas fortsätta bli billigare med lanseringen av Starship och massproduktionen av den största raketen i historien.
Källa: Ark Invest
När launchkostnaderna var £7 716 per kilogram motsvarade det ungefär £154 per watt i ”installationskostnader”, jämfört med endast £2–1,5 på marken. Men om launchkostnaderna kan sjunka tillräckligt lågt blir rymdbaserad solenergi ekonomiskt genomförbar. Och Elon Musk siktar på endast $100/kg på lång sikt, tack vare full återanvändning av den massiva Starship-lastkapaciteten.
Begränsningar för rymdbaserad solenergi
Pris och launchkostnader
Som förklarats ovan är solbaserad kraft endast genomförbar om launchkostnaderna minskar avsevärt. Även om detta kan ske är det oklart hur snabbt en ytterligare 10‑faldig minskning av kostnaden för orbital launch kan uppnås.
Detta kan avsevärt fördröja antagandet av rymdbaserad solenergi, med de flesta stora prototypprojekt (nära MW‑skala) som högst förväntas före 2025–2030. En betydande inverkan kommer inte att uppnås förrän sådana system byggs 1 000‑ganger större på GW‑nivå.
Orbital rörighet
En annan oro är den faktiska hållbarheten hos solpanelerna i omloppsbana. Rymden är en hård, högstrålningsmiljö, och panelerna kommer att försämras över tid. Liknande kan ske med elektroniska komponenter som mikrovågsantennen.
Därtill blir det orbitala rymden alltmer skräp, och rymdskrot blir en allvarlig oro, medan konstellationer av lågjordbana (LEO)‑satelliter exponentiellt ökar antalet föremål runt vår planet.
Rymdbaserade solkraftverk skulle täcka flera kvadratkilometer, vilket gör dem benägna att regelbundet träffas av rymdskrot. Även mikrometeoriter blir ett problem om de får tillräckligt med yta och tid.
I ett värsta scenario skulle en stor kollision skapa mer skräp, vilket i sin tur skulle skapa mer skräp, i en katastrofal kaskad som förstör de flesta av jordens satelliter. Detta är ett fenomen känt som Kesslers syndrom.
För närvarande skulle Kesslers syndrom redan vara tillräckligt skadligt, förstöra telekommunikation, rymdbaserad bildbehandling och vetenskap, samt tidiga varningssystem för kärnvapen.
Men om en stor del av jordens energi tillhandahålls av orbitala solkraftverk skulle en sådan händelse vara ännu mer förödande.
Hållbarhet och återvinning
Förutom om de placeras i en mycket avlägsen bana, långt från LEO, tenderar satellitbanor att sjunka ganska snabbt. Så solkraftverk måste placeras i högre banor, mot geostationära banor (GEO), vilket ökar kostnaderna eftersom de kräver mer launchkapacitet.
Detta ifrågasätter också deras återvinning, eftersom dessa solpaneler förbrukar många värdefulla och icke‑förnybara resurser, inklusive silver.
Så på lång sikt kommer all storskalig solkraftinfrastruktur också behöva bemästra återvinning av panelerna istället för att förstöra dem genom att låta dem stanna i omloppsbana eller krascha tillbaka till jorden.
Slutligen är det mycket energikrävande att skicka material till omloppsbana. Så endast högpresterande raketer kommer att göra processen genomförbar, vilket möjliggör att de orbitala solpanelerna kan ”betala tillbaka” den energi som använts, både för att tillverka dem och för att skicka dem till omloppsbana.
Energitab
Som vi nämnde får solpaneler i rymden mycket mer energi än på marken. De måste dock också gå igenom flera fler steg än markbaserade system innan de kan driva nätet:
- Markbaserat: samla solljus → omvandla DC till AC → skicka kraft till nätet.
- Rymdbaserat: samla solljus → omvandla till mikrovågor → omvandla mikrovågor tillbaka till elektricitet → omvandla DC till AC → skicka kraft till nätet.
De flera extra stegen som involverar att stråla ner mikrovågor orsakar enorma energiförluster, vilket lägger till den maximala 30–40 % sol‑till‑kraft‑omvandlingseffektiviteten.
“Systemet vi använde i vår demonstration hade en total effektivitet på omkring 5 %. Det är inte något som skulle vara operativt genomförbart, även om solljuset är gratis. För att ett rymdbaserat solkraftverk ska vara meningsfullt måste effektiviteten ligga på minst cirka 20 %.”
Stabila banor och solvind
En sista fråga är hur man hanterar den orbitala banan för solkraftverken.
Solpanelen kommer behöva justera sin position kontinuerligt för att få maximal solexponering. Mikrovågsstrålarna måste ständigt omdirigeras för att träffa rätt område på jordens yta.
På grund av deras låga vikt och maximala exponering för solljus kommer solpanelerna att drivas av solvingar och ljus. Faktum är att detta ljustryck har övervägts för att skapa solsegel som driver rymdskepp.
I sammanhanget med ett orbitalt solkraftverk som måste förbli stabilt kan detta bli ett problem.
Övergripande utsikter för rymdfotovoltaik
Mycket av framtiden för rymdbaserad solenergi kommer att bero på utvecklingen av rymdindustrin som helhet. Några nyckelfaktorer måste falla på plats för att det ska ske:
- Industrins tillväxt möjliggör skala och innovation för att minska launchkostnaderna till de nödvändiga nivåerna.
- Utveckling av en orbital och/eller cis‑lunär industriell ekonomi, åtminstone för underhåll och återvinning av kraftsatelliterna.
- Korrekt hantering av rymdskrot och att hålla banan som en neutral och fredlig zon.
Alternativ till fotovoltaisk rymdsol
Koncentrerad sol och orbitala speglar
Ljus → kraft → mikrovågor → tillbaka till kraftsystemet orsakar i sig själva enorma förluster, vilket delvis motverkar den högre solutgången från att vara i rymden. Detta är en grundläggande kritik av konceptet, även omfamnat av ingen annan än Elon Musk redan 2012
“Låt mig berätta om en av mina favoritsaker: rymdsolenergi. OK, det dummaste som någonsin gjorts.
Och om någon skulle tänka, skulle gilla rymdsolenergi, så borde det vara jag. Jag har ett raketföretag och ett solenergiföretag. Jag borde vara – jag borde verkligen vara med, du vet.”
Självklart har mycket förändrats sedan 2012. Priserna på solpaneler och launchkostnader har rasat. Och behovet av förnybar baslastkraft är mycket större.
Det kan ändå finnas ett alternativ: att direkt reflektera solljus istället för att fånga det med fotovoltaiska paneler. Detta kan uppnås genom att placera en gigantisk spegel i omloppsbana.
En fördel med denna metod är att vi vet hur man bygger ultralätta och ultratunna speglar i rymden, med aluminiumfolie. Eftersom materialet bara behöver vara reflekterande utan elektronik kan det vara mycket billigare och lättare per kvadratmeter än en fotovoltaisk cell.
Idén är särskilt förespråkas av Ben Nowack, grundare av Reflect Orbital, University of Glasgow’s SOLSPACE (with a €2.5M grant from the European Research Council), and energy giant Engie’s Laborelec.
Idén är att driva markbaserade solfarmer under natten genom att stråla solljus mot dem. Så affärsmodellen skulle vara att “sälja” solljus till markbaserade solenergiföretag.
Ett sådant system skulle inte kunna gå igenom molntäcke men kan vara ett bra alternativ för solfarmer installerade i torra eller ökenområden.
Potentiellt kan konceptet också öka “klassiska” rymdbaserade fotovoltaiska anläggningar, genom att billigt öka den totala energi de tar emot innan de strålar ner den till jorden.
År 2018 meddelade Kina planer på att använda ett sådant spegelsystem för att ersätta gatubelysning på natten till 2022. Medan detta inte genomfördes, kan det vara ett kreativt sätt att använda rymdbaserad “sol” för att minska vår energiförbrukning på natten när förnybara energikällor underproducerar.
Rymdfabriker
Som förklarats ovan är en stor kostnad för rymdbaserad solenergi problemet med att behöva skicka hundratals eller tusentals ton material till omloppsbana. En lösning på detta problem skulle vara att direkt producera solpanelerna (eller speglarna) i rymden, med resurser som redan finns på plats.
Denna metod skulle helt eliminera kostnaden för att lyfta solkraftverket till omloppsbana. Istället skulle den ersättas med kostnaden för att bara skicka upp den utrustning som krävs för att skapa en rymdbaserad solpanel‑ (eller spegel‑) fabrik.
Ett sätt att göra detta skulle vara att fånga asteroider med rätt resurser, bryta dem och direkt producera kraftverket i omloppsbana.
Konceptuellt låter det vettigt, men det är fortfarande mycket spekulativt, eftersom ingen asteroidbrytning av något slag någonsin har lyckats ännu.
Månbas
Även om solkraftverk produceras i rymden kvarstår problemen med att balansera solvindspåverkan från rymdskrot och återvinning.
Ett alternativ skulle vara att installera solstationerna på månen istället. Energin skulle samlas in av massiva solfarmer byggda på månen och sedan strålas direkt eller indirekt till jorden. Mikrovågsstrålarna från månen kan också omdirigeras av speglar, eftersom metaller reflekterar mikrovågor.
Källa: Arizona State University
Compared to LEO and GEO solar satellites, this presents a few advantages:
- Gravitation: med 1/6 av jordens gravitation kan månen vara mycket mer vänlig för att anpassa jordens tillverkningsprocess till rymden än helt viktlösa miljöer.
- Perfekt för sol: utan en atmosfär lider månens yta aldrig av vind, moln, dimma, is, dammstormar, hagel etc. Så energiproduktionen blir mycket pålitlig och förutsägbar.
- Mänskligt underhåll: orbitala system skulle behöva förlita sig helt på robotar för montering, underhåll och återvinning. Istället skulle de kommande planerna för månbaser av USA samt Kina+Ryssland kunna tillhandahålla lokal arbetskraft när robotar inte räcker till.
- Resurser: Månen är en massiv himlakropp som sannolikt innehåller många resurser. Detta gör den till ett bättre alternativ för en rymdfabrik än den oprövade idén om asteroidbrytning.
Silicon, aluminum, and iron can be chemically extracted from lunar soil for the fabrication of solar cells. Trace elements can be brought from Earth for doping solar cells.
It is estimated that a kilogram of materials transported from Earth to the moon would result in the delivery of 200 times as much electric energy to Earth as a kilogram of a solar-powered satellite.
Dock har idén vissa begränsningar.
Speciellt har månen en 28‑dagars dag‑/natt‑cykel, vilket tvingar ett sådant koncept att förlita sig på en succession av kraftverk spridda över hela månens yta (eller orbitala speglar) för att producera en kontinuerlig produktion.
Helium‑3, fusion och månkraftverk
En annan diskussion om framtida energi som involverar månen är dess avlagring av Helium‑3. Det mycket sällsynta elementet på jorden kan teoretiskt driva en ultra‑effektiv form av kärnfusion.
Teoretiskt kan detta göra rymdutforskning och brytning till en nyckelfunktion i vår framtida energiförsörjning. I praktiken är fusion fortfarande i ett experimentellt stadium.
Liknande källor till sällsynta isotoper av väte, helium och andra element, till exempel i gasjättarna Jupiter och Saturnus, kan spela en liknande roll på lång sikt.
Månen kan också föreställas som en plats för ett potentiellt farligt men mycket produktivt kraftsystem (särskilt kärnkraft), vilket tar bort risken för en katastrofal fel på jorden. Dock kan energiförlusten vid återstrålning av en sådan kraftkälla, samt kostnaderna för att bygga i rymden, göra det oekonomiskt.
Solenergiföretag i rymden
1. Space Solar
Space Solar är ett brittiskt företag som vill utveckla en 2 GW rymdsolarsatellit, CASSIOPeiA. Detta skulle vara en av de största strukturerna som någonsin byggts av mänskligheten, vilket gör några av de högsta skyskraporna små i jämförelse.
Källa: Space Solar
CASSIOPeiA skulle innehålla 60 000 solpaneler, väga 2 000 ton och kretsa i geostationär höjd.
Effektöverföringen skulle ske med hjälp av en förändrad fasarray för att rikta energistrålen. Markstationen skulle behöva vara 5 km i diameter. Tekniken för kraftstrålning har hittills demonstrerats på jorden med 30 kW effekt. Detta uppnåddes tack vare HARRIER, den första 360° trådlösa kraftöverföringen som kräver inga rörliga delar, en nyckelfaktor för hög tillförlitlighet.
Konceptet för kraftsatelliten skulle förlita sig på 2 solreflektorer som skickar tillbaka solljuset till den centrala insamlingssegmentet.
Källa: Space Solar
Programmet förväntas kosta £17 bn för den första versionen, med en kostnad på £3,6 bn för efterföljande iterationer. Detta skulle motsvara en fjärdedel av kostnaden för ett motsvarande kärnkraftverk med 2 GW kapacitet, en rättvis jämförelse med tanke på kraftverkets baslastprofil.
2. Reflect Orbital
Som nämnts ovan är Reflect Orbital inte ute efter att generera kraft i omloppsbana. Istället syftar deras verksamhet till att “sälja” solljus efter mörkrets inbrott till markbaserade solenergiföretag.
Med toppriser ofta strax efter solnedgången, när folk är hemma men förnybara energikällor är offline, kan detta vara en bra strategi. Dessutom kan satellitens solstråle enkelt omdirigeras till olika platser, vilket möjliggör arbitrage mellan olika priser i olika länder eller ogynnsamt väder i ett område.
Detta gör det till ett intressant företag att följa om, faktiskt, omvandlingen av solljus till elektricitet, sedan mikrovågor, sedan tillbaka till elektricitet är en för ineffektiv process för att konkurrera med markbaserad sol.
För närvarande utvecklar företaget sina satelliter och samlar in pengar. För att förklara konceptet bättre gjorde de också en demo med en hetluftsballong på 3 km höjd som gick viral.
Källa: Reflect Orbital
Företaget planerar att testa en prototyp till 2025. Satelliten skulle väga endast 35 pund (16 kilogram) vardera och utrustas med mylarspeglar på 33 fot gånger 33 fot (9,9 × 9,9 meter) i storlek, som vecklas ut när den är i omloppsbana.
Reflect Orbitals planer kan vara mindre högteknologiska än ett komplett orbitalt eller månbaserat solsatellitnätverk. Men kanske är detta en styrka, eftersom det i princip bara använder helt kända teknologier på ett kreativt sätt, redan behärskade i årtionden. Detta kan delvis minska projektets risk.
