Energi
Rymdbaserade Energilösningar För Oändlig Ren Energi
Att Driva Fram Förnybara Alternativ
Strävan att avkolonisera och elektrifiera våra energisystem förlitar sig för närvarande till förnybara energikällor, särskilt vind och sol. Geotermisk energi och kärnkraft kan också bidra.
Tyvärr lider var och en av dessa lösningar av vissa begränsningar:
- Geotermisk energi är fortfarande outvecklad när det gäller produktion i stor skala och beror på ojämnt fördelade lokala värmeresurser.
- Kärnkraft är impopulär, producerar kärnavfall och kräver mycket kapital initialt. Detta hindrar dess antagande, även om de flesta av dessa problem kan lösas med 4e generationens kärnkraftsystem.
- Förnybara energikällor lider av intermittens, vilket tvingar grönare elnät att också investera stora summor i batterier och andra former av energilagring.
När det gäller solenergi verkar intermittensen vara en oundviklig egenskap, med jorden i mörker halva tiden. För att förvärra detta problem kan molntäcke drastiskt minska effektuttaget i veckor eller till och med månader i vissa delar av världen, och det är innan man diskuterar problemen som orsakas av damm eller snö.
Vad händer om vi för att undvika natt- och klimatrelaterade problem placerar vår solenergibas i rymden? Hur skulle detta fungera? Och finns det ett annat sätt att driva jordens civilisationer från rymden?
Rymdbaserad Solenergi
Den första nyckelfunktionen i rymdbaserad solenergi är att eftersom kraftsatelliterna kretsar runt jorden kan de placeras i en bana som aldrig är i jordens skugga, producerar 24/7. Inte bara dubblar detta produktionen, utan det tar också bort kravet på batterier för markbaserade solenergianläggningar.
Kombinerat med frånvaron av minskad produktion under vinter eller på grund av moln, förvandlas intermittenta solenergi till nästan perfekt baslast.
En annan faktor är att atmosfären absorberar mycket av solens ljus, även utan moln. Jordens lutning och sfäriska form minskar också mängden sol som träffar marken utanför den ekvatoriella regionen.
Orbitalsolpaneler lider inte av några av dessa begränsningar. Tack vare alla dessa faktorer kombinerat kan en solpanel i omloppsbana producera så mycket som 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 nästan alla satelliter och ISS. I teorin skulle vi bara behöva skicka upp många fler sådana solpaneler i omloppsbana och skicka tillbaka energin till jorden.
Källa: Solar.com
Förvånansvärt nog är det inte så svårt att skicka tillbaka energin som man kan tro. Den 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 särskild typ av antenn som kallas rectenna.
Alternativt kunde energi också skickas tillbaka med laser.
Källa: ESA – European Space Agency
Att skicka en stor mängd energi tillbaka till jordens yta kan låta en aning oroande. Det tenderar att skapa bilden av en science fiction-super-skurks dödliga stråle. I praktiken skulle dock en sådan stråle vara energirik men inte kraftig nog att utgöra en fara för ytan.
Det måste noteras att en av fördelarna med detta system är att den likström som skapas av solpanelerna kan användas direkt för att skicka den tillbaka, med växelström som bara skapas på marken för att mata in elen i nätet.
Varför Nu?
Solcellskostnader
Att producera el från rymdbaserade solceller är en gammal idé. Men det är först nu som det börjar se ut som att det kunde bli livskraftigt.
Det första skälet är den ökande ineffektiviteten och de sjunkande kostnaderna för solceller, som är samma faktorer som gjorde dem till ett livskraftigt alternativ på marken.
Källa: News Channel 3
Ytterligare framsteg inom tekniken kan se till att omvandlingseffektiviteten ökar ytterligare. För närvarande ligger den vanligtvis använda markbaserade solcellens effektivitet i intervallet 20-23 %. De som används i rymden är ofta så höga som 30 %, eftersom den extra kostnaden kompenseras av mindre vikt att transportera till omloppsbana, med ytterligare vinst förväntad.
“Nuvarande paneler som används i rymden uppnår effektiviteter på cirka 30 % när det gäller att omvandla solsken till elektricitet, och under de närmaste 20 åren förväntar vi oss att de kommer att nå 40 %”
Upplänkningskostnader
Den andra elefanten i rummet är den kollapsande kostnaden för att nå omloppsbana, nästan helt driven av SpaceX framsteg inom återanvändbara raketer. Denna kostnad har redan delats med 10 och förväntas fortsätta bli billigare med lanseringen av Starship och massproduktionen av den största raketens historia.
Källa: Ark Invest
När upplänkningskostnaderna var 7 716 pund per kilogram, representerade det cirka 154 pund per watt av “installationskostnader”, jämfört med bara 2-1,5 på marken. Men om upplänkningskostnaderna kan sjunka tillräckligt lågt, gör det rymdbaserad solenergi livskraftig ur ett ekonomiskt perspektiv. Och Elon Musk siktar på enbart 100 dollar/kg på lång sikt, tack vare full återanvändning av den massiva Starship-payloaden.
Rymdbaserad Solenergi Begränsningar
Pris Och Upplänkningskostnader
Som förklarats ovan är solbaserad kraft bara livskraftig om upplänkningskostnaderna sjunker avsevärt. Medan detta kan ske, är det oklart hur snabbt en ytterligare 10-gånger minskning av orbital upplänkningskostnad kan uppnås.
Detta kan avsevärt försena antagandet av rymdbaserad solenergi, med de flesta stora prototypprojekt (nära megawattskalan) inte förväntas före 2025-2030 som bäst. En betydande inverkan kommer inte att uppnås förrän byggnation av sådana system 1 000 gånger större på gigawatt-nivå.
Orbital Trängsel
En annan oro är den faktiska livslängden för solpanelerna i omloppsbana. Rymden är en hård, högstrålande miljö, och panelerna kommer att försämras över tiden. Samma sak gäller för elektroniska komponenter som mikrovågsantennen.
Dessutom är den orbitala rymden alltmer överbelastad. Rymdskräp är ett allvarligt problem, och konstellationer av satelliter i låg omloppsbana växer exponentiellt i antal runt vår planet.
Rymdbaserade solkraftverk skulle vara flera kvadratkilometer stora, vilket gör dem sannolikt att träffas regelbundet av rymdskräp. Även mikrometeoriter kommer att bli ett problem om man ger dem tillräckligt med yta och tid.
I ett värsta-scenarium skulle en stor påverkan skapa mer skräp, som i sin tur skulle skapa mer skräp, i en katastrofal kaskad som förstör de flesta av jordens satelliter. Detta är ett fenomen känt som Kessler-syndrom.
För närvarande skulle Kessler-syndromet vara tillräckligt skadligt, förstörande telekommunikation, rymdbaserad avbildning och vetenskap, samt tidiga varningssystem för kärnvapen.
Men om en stor del av jordens energi tillhandahålls av rymdbaserade solkraftverk, skulle en sådan händelse vara ännu mer förödande.
Hållbarhet Och Återvinning
Förutom om de placeras i en mycket avlägsen omloppsbana, långt ifrån låg omloppsbana, tenderar satellitbanor att sjunka ganska snabbt. Så solkraftverk kommer att behöva skjutas upp till högre omlopp, mot geostationära omlopp (GEO), vilket ökar kostnaderna eftersom de kräver mer upplänkningskapacitet.
Detta väcker också frågan om deras återvinning, eftersom dessa solpaneler kommer att förbruka stora mängder dyra och icke förnybara resurser, inklusive silver.
Så, på lång sikt kommer varje stor solkraftinfrastruktur också att behöva bemästra återvinning av panelerna istället för att förstöra dem genom att hålla dem i omloppsbana eller krascha tillbaka till jorden.
Slutligen är att skicka material till omloppsbana mycket energikrävande. Så, endast högeffektiva raketer kommer att göra processen livskraftig, vilket tillåter rymdbaserade solpaneler att “betala tillbaka” den energi som används inte bara för att tillverka dem utan också för att skicka dem till omloppsbana.
Energiförluster
Som vi sa, solpaneler i rymden tar emot mycket mer energi än på marken. Men de måste också ha flera fler steg än markbaserade system innan de matar in elen i nätet:
- Markbaserat: samla solsken -> omvandla likström till växelström -> mata in elen i nätet.
- Rymdbaserat: samla solsken -> omvandla mikrovågor -> omvandla mikrovågor tillbaka till elektricitet -> omvandla likström till växelström -> mata in elen i nätet.
De många extra stegen som innefattar att skicka mikrovågor orsakar massiva energiförluster, vilket läggs till den maximala 30-40 % solsken -> kraftomvandlingseffektiviteten.
“Systemet vi använde i vår demonstration hade en slutlig effektivitet på cirka 5 %. Det är ingenting som skulle vara operativt livskraftigt, även om solskenet är gratis. För ett rymdbaserat solkraftverk att ha mening, måste effektiviteten vara runt 20 %.”
Stabila Omlopp Och Solvind
En sista fråga är hur man hanterar solkraftverkens omloppsbana.
Solkraftverket kommer att behöva ständigt justera sin position för att ta emot maximal solexponering. Mikrovågsstrålarna kommer att behöva ständigt omriktas för att träffa rätt område på jordens yta.
På grund av deras låga vikt och maximal exponering för solsken, kommer solpanelerna att skjutas fram av solvind och ljus. I själva verket har trycket från ljus övervägts för att skapa solsegel för att driva rymdfarkoster.
I sammanhanget med ett rymdbaserat solkraftverk som behöver 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. Flera nyckelfaktorer kommer att behöva klicka ihop för att det ska hända:
- Tillväxt inom industrin möjliggör skala och innovation för att minska upplänkningskostnaderna till de nödvändiga nivåerna.
- Utveckling av en orbital och/eller cislunar industriell ekonomi, åtminstone för underhåll och återvinning av kraftsatelliterna.
- Ordentlig hantering av rymdskräp och hållande av omloppet som en neutral och fredlig zon.
Alternativ Till Fotovoltaisk Rymdsol
Koncentrerad Sol och Orbitala Speglar
Systemet med ljus -> kraft -> mikrovågor -> tillbaka till kraft är inneboende orsaken till massiva förluster, som delvis motverkar den högre solutsikten från att vara i rymden.
Detta är en kärnkritik av detta koncept, även omfamnat av ingen mindre än Elon Musk så tidigt som 2012
“Låt mig berätta om en av mina favoritsaker: rymdbaserad solenergi. OK, den dummaste grejen någonsin.
Och om någon borde tycka om rymdbaserad solenergi, borde det vara jag. Jag har ett raketföretag och ett solföretag. Jag borde verkligen vara på det, du vet.”
Självklart har mycket hänt sedan 2012. Solcellspriser och upplänkningskostnader har kollapsat. Och behovet av förnybara baslastkraftgenerering är mycket större.
Ändå kan det finnas ett alternativ: att direkt reflektera solsken istället för att fånga det med fotovoltaiska paneler. Detta kan uppnås genom att placera en jättespegel i omloppsbana.
En fördel med denna metod är att vi vet hur man bygger ultralätta och ultratunna speglar i rymden, med hjälp av aluminiumfolie. Eftersom materialet bara behöver vara reflekterande utan elektronik, kan det vara mycket billigare och lättare per kvadratmeter än en fotovoltaisk cell.
Idén främjas bland annat av Ben Nowack, grundare av Reflect Orbital, University of Glasgows SOLSPACE (med ett bidrag på 2,5 miljoner euro från Europeiska forskningsrådet), och energijätten Engies Laborelec.
Idén är att driva markbaserade solceller under natten genom att skicka solsken mot dem. Så, affärsmodellen skulle vara att “sälja” solsken till markbaserade solföretag.
Ett sådant system skulle inte kunna gå genom molntäcke, men det kunde vara ett bra alternativ för solceller installerade i torra eller ökenområden.
Potentiellt kunde konceptet också förbättra “klassiska” rymdbaserade fotovoltaiska anläggningar, genom att billigt öka den totala energin de tar emot innan de skickar den tillbaka till jorden.
2018 meddelade Kina planer på att använda ett sådant spegelsystem för att ersätta nattbelysning med 2022. Även om detta inte gjordes, kunde det vara ett kreativt sätt att använda rymdbaserat “solsken” för att minska vår energiförbrukning på natten när förnybara energikällor producerar för lite.
Rymdfabriker
Som nämnts ovan är en stor kostnad för rymdbaserad solenergi problemet med att skicka hundratals eller tusentals ton material till omloppsbana. En lösning på detta problem vore att direkt producera solpaneler (eller speglar) i rymden, med hjälp av resurser som redan finns på plats.
Detta skulle helt ta bort kostnaden för att lyfta solkraftverket till omloppsbana. Istället skulle det ersätta den med kostnaden för att skicka upp utrustning som krävs för att skapa en rymdbaserad solpanel (eller spegel) fabrik.
En möjlig väg att göra detta vore att fånga in asteroider med rätt resurser, utvinna dem och direkt producera kraftverket i omloppsbana.
Konceptuellt sett är detta en bra idé, men det är fortfarande mycket spekulativt, eftersom ingen asteroidutvinning av något slag har ägt rum än.
Månbas
Även om solkraftverk produceras i rymden, kommer problemen med solvindens påverkan från rymdskräp och återvinning att kvarstå.
Ett alternativ vore att installera solanläggningarna på månen istället. Energin skulle samlas in av stora solfält byggda på månen och sedan skickas tillbaka till jorden. Mikrovågsstrålarna från månen kan också omriktas med hjälp av speglar, eftersom metaller reflekterar mikrovågor.
Källa: Arizona State University
Jämfört med satelliter i låg omloppsbana och geostationära omlopp, presenterar detta några fördelar:
- Tyngdkraft: med 1/6 av jordens tyngdkraft, kan månen vara mycket mer vänlig för att anpassa jordens tillverkningsprocess till rymden än fullständigt viktlösa miljöer.
- Perfekt för sol: utan atmosfär, lider månens yta aldrig av vind, moln, dimma, is, dammstormar, hagel, etc. Så, energiproduktionen kommer att vara mycket tillförlitlig och förutsägbar.
- Mänskligt underhåll: orbitala system skulle behöva förlita sig helt på robotar för montering, underhåll och återvinning. Istället skulle de kommande planerna på månbaser från USA samt Kina + Ryssland tillhandahålla den lokala arbetskraften när robotar inte räcker till.
- Resurser: Månen är en enorm himlakropp, sannolikt innehållande många resurser. Detta gör den till en bättre kandidat för en rymdfabrik än den outredda idén om asteroidutvinning.
Silikon, aluminium och järn kan kemiskt utvinnas från månens jord för tillverkning av solceller. Spårelement kan föras från jorden för att dopa solceller.
Det beräknas att ett kilogram material transporterat från jorden till månen skulle resultera i leverans av 200 gånger så mycket elektrisk energi till jorden som ett kilogram solkraftsatellit.
Men idén har några begränsningar.
Bland annat har månen en 28-dagars dygnsrytm, vilket tvingar ett sådant koncept att förlita sig på en serie kraftverk spridda över hela månens yta (eller orbitala speglar) för att producera en kontinuerlig utmatning.
Helium 3, Fusion och Månkraftverk
En annan diskussion om framtida energi som involverar månen är dess förekomst av Helium-3. Det mycket sällsynta grundämnet på jorden kunde teoretiskt sett driva en ultraeffektiv form av kärnfusion.
I teorin kunde detta göra rymdutforskning och utvinning till en nyckelfunktion i vår framtida energitillförsel. I praktiken är dock fusion fortfarande i ett experimentellt skede.
Liknande källor till sällsynta isotoper av väte, helium och andra grundämnen, till exempel i gasjättarna Jupiter och Saturnus, kunde spela en liknande roll på lång sikt.
Månen kunde också föreställas som en plats för ett potentiellt farligt men mycket produktivt kraftsystem (särskilt kärnkraft), som tar bort konsekvenserna av en katastrofal haveri från jorden. Men, energiförlusten vid att skicka tillbaka en sådan källa till kraft, samt kostnaderna för att bygga i rymden, kan göra det olönsamt.
Rymdbaserade Solenergiföretag
1. Space Solar
Space Solar är ett brittiskt företag som siktar på att utveckla en 2 GW rymdbaserad solkraftsatellit, CASSIOPeiA. Detta skulle vara en av de största strukturerna som någonsin byggts av mänskligheten, och göra några av de högsta skyskraporna små i jämförelse.
Källa: Space Solar
CASSIOPeiA skulle innehålla 60 000 solpaneler, väga 2 000 ton och kretsa i geosynkron omlopp.
Effektöverföring skulle ske med hjälp av en fasändrande antenn för att rikta energistrålen. Markstationen skulle behöva vara 5 km i diameter. Effektöverföringsteknologin har redan demonstrerats på jorden, med 30 kW effekt. Detta uppnåddes tack vare HARRIER, den första 360° trådlös effektöverföring som kräver inga rörliga delar, en viktig faktor för hög tillförlitlighet.
Konceptet för kraftsatelliten skulle förlita sig på 2 solreflektorer som skickar tillbaka solskenet till den centrala insamlingssegmentet.
Källa: Space Solar
Programmet förväntas kosta 17 miljarder pund för den första versionen, med en kostnad på 3,6 miljarder pund för efterföljande iterationer. Detta skulle bringa det till 1/4 av kostnaden för ett motsvarande kärnkraftverk på 2 GW, en rättvis jämförelse, med tanke på kraftverkets baslastprofil.
2. Reflect Orbital
Som nämnts ovan siktar Reflect Orbital inte på att generera kraft i omloppsbana. Istället syftar deras affärsidé till att “sälja solsken efter mörker” till markbaserade solföretag.
Med topppriser ofta strax efter solnedgången, när människor är tillbaka hemma men förnybara energikällor är offline, kan detta vara en bra strategi. Dessutom kan satellitsolskenet enkelt omriktas till olika platser, vilket möjliggör handel med priser mellan länder eller ogynnsamt väder i ett område.
Detta gör det till ett intressant företag att följa, om det faktiskt är så att omvandling av solsken till elektricitet, sedan mikrovågor, sedan tillbaka till elektricitet är ett för ineffektivt process för att konkurrera med markbaserad solenergi.
För närvarande utvecklar företaget sina satelliter och samlar in medel. För att bättre förklara konceptet gjorde de också en demonstration med en varmluftsballong 3 km hög som gick viral.
Källa: Reflect Orbital
Företaget planerar att testa en prototyp år 2025. Satelliten skulle väga bara 16 kilo och utrustas med mylar-speglar, 9,9 meter x 9,9 meter i storlek, som vecklas ut i omloppsbana.
Reflect Orbitals planer kan vara mindre högteknologiska än ett fullständigt rymdbaserat eller månbaserat solkraftnätverk. Men kanske kan detta vara en styrka, eftersom det i princip bara använder väl etablerad teknik på ett kreativt sätt, redan bemästrad i decennier. Detta kunde potentiellt minska risken för projektet.
