Mga Solusyon sa Enerhiya Batay sa Kalawakan para sa Walang Katapusang Malinis na Enerhiya

Pagpapasigla ng Mga Renewable na Enerhiya

Ang pagsusumikap na i-decarbonize at i-electrify ang ating mga sistema ng enerhiya ay kasalukuyang umaasa sa mga renewable, lalo na sa hangin at solar. Maaaring makatulong din ang geothermal na enerhiya at nuclear na kapangyarihan.

• Ang geothermal ay patuloy na hindi pa lubos na napatunayan pagdating sa produksyon sa malakihang sukat at nakadepende sa hindi pantay na lokal na mapagkukunan ng init.
• Ang nuclear ay hindi popular, nagbubuo ng nuclear waste, at nangangailangan ng malaking paunang kapital. Pinipigil nito ang pag-aampon, kahit na maaaring maresolba ng ika‑4 na henerasyon ng mga nuclear power system marami sa mga isyung ito ay maaaring maresolba ng 4^thhenerasyon ng nuclear power systems.
• Ang mga renewable ay nagdaranas ng intermittence, na nag-uudyok sa mga green na power grid na mag-invest ng napakalaking halaga sa mga baterya at iba pang anyo ng imbakan ng enerhiya.

Pagdating sa solar power, ang intermittency ay tila hindi maiiwasang katangian, dahil kalahati ng oras ay gabi sa Earth. Upang mapalala ang isyung ito, ang pagtakip ng ulap ay maaaring lubos na magpababa ng output ng enerhiya sa loob ng mga linggo o kahit buwan sa ilang rehiyon ng mundo, bago pa man talakayin ang mga problema na dulot ng alikabok o niyebe.

Paano kung upang maiwasan ang gabi at mga isyung pangklima, ilagay natin ang ating base ng solar power sa kalawakan? Paano ito gagana? At may iba pa bang paraan upang mapagana ang mga sibilisasyon ng Earth mula sa kalawakan?

Solar na Batay sa Kalawakan

Ang unang pangunahing tampok ng solar na batay sa kalawakan ay na habang umiikot ang mga power satellite sa Earth, maaari silang ilagay sa isang orbit na hindi kailanman napapailalim sa anino ng Earth, na nagpo-produce ng 24/7. Hindi lamang nito dinodoble ang produksyon, kundi inaalis din ang pangangailangan para sa mga baterya ng mga ground-based na planta ng solar energy.

Combined with the absence of reduced production in winter or due to clouds, intermittent solar power turns into almost perfect baseload power.

Another factor is that the atmosphere absorbs much of the Sun’s light even without clouds. The Earth’s inclination and spherical shape also reduce the amount of sun that hits the ground away from the equatorial region.

Orbital solar panels do not suffer from any of these limitations. Thanks to all these factors combined, isang solar panel sa orbit ay maaaring mag-produce ng hanggang 40 beses na mas marami kaysa sa isa sa lupa.

Paano Ito Gumagana?

Alam na natin kung paano gumawa ng solar power sa kalawakan, gamit ang mga high-performance na solar panel na nagpapagana halos lahat ng satellite at ang ISS. Sa teorya, kailangan lamang nating magpadala ng mas marami pang ganitong mga solar panel sa orbit at ipadala ang enerhiya pabalik sa Earth.

Pinagmulan: Solar.com

Nakakagulat, ang bahagi ng pagpapadala pabalik ng enerhiya ay hindi kasing hirap ng inaakala. Ang pangunahing konsepto sa ngayon ay ang paggamit ng microwaves (2.45 GHz), na hindi nasisipsip ng mga ulap. Ang mga microwaves ay sinisipsip at kinokonvert pabalik sa kuryente gamit ang isang dedikadong uri ng antena na tinatawag na rectenna.

Bilang alternatibo, maaaring i-beam pabalik ang enerhiya gamit ang mga laser.

Pinagmulan: ESA – European Space Agency

Ang pag-beam ng napakalaking dami ng enerhiya pabalik sa ibabaw ng Earth ay maaaring magmukhang nakababahala. Karaniwan itong nagdudulot ng imahe ng isang science fiction na supervillain death ray. Gayunpaman, sa praktika, ang ganitong beam ay mayaman sa enerhiya ngunit hindi sapat na malakas upang maging panganib sa ibabaw.

Dapat tandaan na isa sa mga benepisyo ng sistemang ito ay ang DC power na nilikha ng mga solar panel ay maaaring direktang gamitin para i-beam pababa, habang ang AC power ay nililikha lamang sa lupa para i-inject ang kuryente sa grid.

Bakit Ngayon?

Mga Gastos sa Solar

Ang paggawa ng enerhiya mula sa orbital na mga solar plant ay isang matandang ideya. Ngunit ngayon lamang ito nagsisimulang magmukhang maaaring maging viable.

Ang unang dahilan ay ang tumataas na kahusayan at bumababang gastos ng mga solar panel, na parehong mga salik na nagpagawa nitong isang viable na opsyon sa lupa.

Pinagmulan: News Channel 3

Ang karagdagang pag-unlad sa teknolohiya ay maaaring magpataas pa ng conversion efficiency. Sa kasalukuyan, ang karaniwang ginagamit na ground solar panels ay may efficiency na 20-23% range. Ang mga ginagamit sa kalawakan ay madalas na umaabot hanggang 30%, dahil ang karagdagang gastos ay nababalanse ng mas kaunting bigat na dadalhin sa orbit, at inaasahan pa ang karagdagang pagtaas.

“Ang kasalukuyang mga panel na ginagamit sa kalawakan ay nakakamit ng efficiencies na nasa 30% sa pag-convert ng sikat ng araw sa kuryente, at sa susunod na 20 taon inaasahan naming maaabot nila ang 40%”
Nicola Rossi, Pinuno ng Inobasyon sa Enel Group

Mga Gastos sa Paglunsad

Ang isa pang malaking isyu ay ang bumabagsak na gastos ng pag-abot sa orbit, halos buong pinapalakad ng mga tagumpay ng SpaceX (SPCX ) sa reusable rockets. Ang gastusing ito ay nabawasan na ng 10 beses at inaasahang patuloy na bababa pa sa paglulunsad ng Starship at mass production ng pinakamalaking rocket sa kasaysayan.

Pinagmulan: Ark Invest

Nang ang gastos sa paglunsad ay £7,716 bawat kilogram, ito ay kumakatawan sa humigit-kumulang £154 bawat watt ng “installation costs”, kumpara sa simpleng £2-1.5 sa lupa. Ngunit kung ang gastos sa paglunsad ay bumaba nang sapat, ginagawa nitong viable ang space-based solar mula sa perspektibong pang-ekonomiya. At si Elon Musk ay nagtatarget ng $100/kg sa pangmatagalan, salamat sa ganap na reusability ng napakalaking payload ng Starship.

Mga Limitasyon ng Solar na Batay sa Kalawakan

Presyo at Mga Gastos sa Paglunsad

Tulad ng ipinaliwanag sa itaas, ang solar-based power ay magiging viable lamang kung ang gastos sa paglunsad ay bumaba nang malaki. Bagaman maaaring nangyayari ito, hindi malinaw kung gaano kabilis maabot ang isa pang 10x na pagbawas sa gastos ng orbital launch.

Maaaring magdulot ito ng malaking pagkaantala sa pag-aampon ng space-based solar, kung saan ang karamihan sa malalaking prototype na proyekto (malapit sa sukat na MW) ay hindi inaasahang magaganap bago ang 2025-2030 sa pinakamainam. Hindi makakamit ang makabuluhang epekto bago maitayo ang mga sistemang 1,000 beses na mas malaki sa antas ng GW.

Pagkakabaha sa Orbital

Isa pang alalahanin ay ang tunay na tibay ng mga solar panel sa orbit. Ang kalawakan ay isang magaspang, mataas na radiation na kapaligiran, at ang mga panel ay unti-unting masisira sa paglipas ng panahon. Ganun din ang maaaring mangyari sa mga elektronikong komponent tulad ng microwave antenna.

Dagdag pa rito, ang orbital space ay nagiging mas masikip. Ang space debris ay nagiging seryosong alalahanin, at ang mga konstelasyon ng Low-Earth Orbit (LEO) satellites ay eksponensyal na nagpaparami ng bilang ng mga bagay sa paligid ng ating planeta.

Ang mga space-based solar plant ay magiging ilang kilometro kuwadrado ang sukat, kaya malamang na regular na tamaan ng space debris. Maging ang mga micrometeorite ay magiging isyu kung bibigyan ng sapat na ibabaw at oras.

Sa pinakamasamang senaryo, ang isang malaking banggaan ay lilikha ng mas maraming debris, na magreresulta naman sa mas maraming debris, sa isang mapaminsalang cascade na sisira sa karamihan ng mga satellite ng Earth. Ito ay isang phenomenon na kilala bilang Kessler syndrome.

Sa kasalukuyan, ang Kessler syndrome ay sapat nang nakakasira, sumisira sa telekomunikasyon, space-based imagery, at agham, pati na rin sa mga early warning nuclear weapon detection system.

Ngunit kung malaking bahagi ng enerhiya ng Earth ay ibinibigay ng mga orbital solar plant, ang ganitong pangyayari ay magiging mas mapaminsala.

Pagkatibay at Pag-recycle

Maliban kung nakalagay sa napakalayong orbit, malayo sa LEO, ang mga trajectory ng satellite ay karaniwang bumababa nang mabilis. Kaya ang mga solar power plant ay kailangang itulak sa mas mataas na orbit, patungo sa geostationary orbit (GEO), na nagpapataas ng gastos dahil nangangailangan ito ng mas maraming launch capacity.

Nagdudulot din ito ng tanong sa kanilang recycling, dahil ang mga solar panel na ito ay kumokonsumo ng maraming mahal at hindi renewable na mga mapagkukunan, kabilang ang pilak.

Kaya, sa pangmatagalan, anumang malakihang solar power infrastructure ay kailangang masterin ang pag-recycle ng mga panel imbis na sirain ang mga ito sa pamamagitan ng pagpapanatili sa orbit o pag-crash pabalik sa Earth.

Sa huli, ang pagpapadala ng materyales sa orbit ay napaka-energy-intensive. Kaya, tanging mga high-efficiency na rocket lamang ang magpapabisa sa proseso, na magbibigay-daan sa mga orbital solar panel na “magbayad” ng enerhiya na ginamit hindi lamang sa paggawa nila kundi pati na rin sa pagpapadala sa orbit.

Pagkawala ng Enerhiya

Tulad ng sinabi natin, ang mga solar panel sa kalawakan ay tumatanggap ng mas maraming enerhiya kaysa sa lupa. Gayunpaman, kailangan nilang dumaan sa ilang karagdagang hakbang kumpara sa mga ground-based system bago mapagana ang grid:

• Ground-based: kolektahin ang sikat ng araw -> i-convert ang DC sa AC -> ipadala ang enerhiya sa grid.
• Space-based: kolektahin ang sikat ng araw -> i-convert sa microwaves -> i-convert ang microwave pabalik sa kuryente -> i-convert ang DC sa AC -> ipadala ang enerhiya sa grid.

Ang maraming karagdagang hakbang na kinabibilangan ng pag-beam pababa ng microwave ay nagdudulot ng napakalaking pagkawala ng enerhiya, na nagdadagdag sa maximum na 30-40% na conversion efficiency mula sa sikat ng araw papuntang enerhiya.

“Ang system na ginamit namin sa aming demonstrasyon ay may end-to-end efficiency na humigit-kumulang 5%. Hindi ito magiging operationally viable, kahit na libre ang sikat ng araw. Para maging kapaki-pakinabang ang isang space-based solar plant, ang efficiency ay dapat nasa hindi bababa sa 20%.”
Jean-Dominique Coste – Senior Manager at Airbus Blue Sky

Matatag na Orbita at Solar Wind

Isang huling tanong ay kung paano pamahalaan ang orbital trajectory ng mga solar plant.

Kailangang patuloy na i-adjust ng solar panel ang posisyon nito upang makatanggap ng pinakamataas na exposure sa araw. Ang mga microwave beam ay kailangang patuloy na i-redirect upang tumama sa tamang lugar ng ibabaw ng Earth.

Dahil sa kanilang magaan na timbang at pinakamataas na exposure sa sikat ng araw, ang mga solar panel ay itinutulak ng mga sun wing at liwanag. Sa katunayan, ang presyur na ito mula sa liwanag ay kinonsidera upang lumikha ng sun-sails na magtutulak ng mga spaceships.

Sa konteksto ng isang orbital solar power plant na kailangang manatiling stable, maaaring maging isyu ito.

Pangkalahatang Prospek ng Space Photovoltaics

Maraming bahagi ng kinabukasan ng space-based solar power ang nakasalalay sa pag-unlad ng industriya ng kalawakan sa kabuuan. Ilang mahahalagang salik ang kailangang magsama-sama para ito ay mangyari:

• Ang paglago ng industriya ay nagbibigay-daan sa scale at inobasyon upang pababain ang gastos sa paglunsad sa kinakailangang antas.
• Pag-unlad ng isang orbital at/o cislunar na industriyal na ekonomiya, kahit na sa pinakapayak para sa maintenance at recycling ng mga power satellite.
• Wastong pamamahala ng space debris at panatilihin ang orbit bilang neutral at mapayapang zona.

Alternatibo sa Photovoltaic Space Solar

Concentrated Solar at Orbital Mirrors

Ang liwanag -> enerhiya -> microwave -> pabalik sa power system ay likas na nagdudulot ng napakalaking pagkawala, na bahagyang binabalanse ang mas mataas na output ng solar mula sa pagiging nasa kalawakan. Ito ay isang pangunahing kritisismo sa konseptong ito, kahit na niyakap lamang ni Elon Musk noong 2012.

“Hayaan ninyong ikwento ko ang isa sa aking paboritong ideya: space solar power. OK, ito ang pinaka-kawawang bagay.

At kung may sino mang dapat mag-isip, dapat gusto ng space solar power, ako iyon. Mayroon akong kumpanya ng rocket at kumpanya ng solar. Dapat akong maging bahagi nito, alam ninyo.”

Syempre, marami nang nagbago mula noong 2012. Bumagsak ang presyo ng mga solar panel at gastos sa paglunsad. At ang pangangailangan para sa renewable baseload power generation ay mas malaki na.

Gayunpaman, maaaring may alternatibo: direktang i-reflect ang sikat ng araw imbes na kunin ito gamit ang photovoltaic panels. Maaaring makamit ito sa pamamagitan ng paglagay ng isang higanteng salamin sa orbit.

Isang benepisyo ng pamamaraang ito ay alam natin kung paano gumawa ng ultralight at ultra-thin na mga salamin sa kalawakan, gamit ang aluminum foil. Dahil ang materyal ay kailangang maging reflective lamang nang walang electronics, ito ay maaaring mas mura at mas magaan kada metro kuwadrado kaysa sa isang photovoltaic cell.

Ang ideyang ito ay pinangungunahan ni Ben Nowack, tagapagtatag ng Reflect Orbital, ng SOLSPACE ng University of Glasgow (na may €2.5M na grant mula sa European Research Council), at ng energy giant na Engie’s Laborelec.

Ang ideya ay magbigay ng enerhiya sa mga ground-based solar farm sa gabi sa pamamagitan ng pag-beam ng sikat ng araw papunta sa kanila. Kaya, ang business model ay “ibenta” ang sikat ng araw sa mga ground solar utility.

Ang ganitong sistema ay hindi makakalusot sa pagtakip ng ulap ngunit maaaring maging mahusay na opsyon para sa mga solar farm na nakalagay sa tuyo o disyertong lugar.

Posibleng ang konsepto ay makapag-boost din sa mga “klasikong” space-based photovoltaic plant, sa murang paraan na dagdagan ang kabuuang enerhiya na kanilang natatanggap bago i-beam ito pababa sa Earth.

Noong 2018, inanunsyo ng China ang mga plano na gamitin ang ganitong mirror system upang palitan ang mga ilaw sa kalye sa gabi pagsapit ng 2022. Bagaman hindi ito naisakatuparan, maaaring ito ay isang malikhaing paraan upang gamitin ang space-based “solar” upang bawasan ang ating konsumo ng enerhiya sa gabi kapag kulang ang produksyon ng renewables.

Mga Pabrika sa Kalawakan

Tulad ng ipinaliwanag sa itaas, isang malaking gastos sa space-based solar power ay ang pangangailangang magpadala ng daan-daan o libu-libong tonelada ng materyales sa orbit. Isang solusyon sa problemang ito ay direktang gumawa ng mga solar panel (o salamin) sa kalawakan, gamit ang mga mapagkukunan na naroroon na.

Ang pamamaraang ito ay ganap na aalisin mula sa ekwasyon ang gastos ng pag-angat ng solar power plant sa orbit. Sa halip, papalitan ito ng gastos ng pagpapadala lamang ng kagamitan na kinakailangan para lumikha ng space-based solar panel (o mirror) factory.

Isang paraan upang gawin ito ay ang hulihin ang mga asteroid na may tamang mapagkukunan, minahin ang mga ito, at direktang gawin ang power plant sa orbit.

Bagaman konseptwal na matibay, ito ay napaka-speculative pa rin, dahil wala pang naabot na asteroid mining sa anumang anyo.

Base sa Buwan

Kahit na ang mga solar plant ay ginawa sa kalawakan, mananatili pa rin ang mga isyu ng pagbalanse sa epekto ng solar wind mula sa space debris at recycling.

Isang alternatibo ay i-install ang mga solar station sa Moon. Ang enerhiya ay kokolektahin ng napakalaking solar farm na itinayo sa Moon at pagkatapos ay i-beam nang direkta o hindi direkta patungo sa Earth. Ang mga microwave beam mula sa Moon ay maaari ring i-redirect ng mga salamin, dahil ang mga metal ay nagre-reflect ng microwaves.

Pinagmulan: Arizona State University

• Gravity: sa 1/6 ng gravity ng Earth, ang Moon ay maaaring mas kaaya-ayang iangkop ang proseso ng paggawa ng Earth sa kalawakan kaysa sa ganap na walang timbang na kapaligiran.
• Perfect for solar: walang atmospera, kaya ang ibabaw ng Moon ay hindi kailanman nakararanas ng hangin, ulap, fog, yelo, dust storm, hail, atbp. Kaya ang produksyon ng enerhiya ay magiging lubos na maaasahan at predictable.
• Human maintenance: ang mga orbital system ay kailangang ganap na umasa sa mga robot para sa assembly, maintenance, at recycling. Sa halip, ang mga paparating na plano para sa Moon bases ng USA pati na rin ng China+Russia ay magbibigay ng lokal na manpower kapag hindi sapat ang mga robot.
• Resources: Ang Moon ay isang napakalaking celestial body, na malamang na naglalaman ng maraming mapagkukunan. Ginagawa nitong mas magandang kandidato para sa space factory kaysa sa hindi pa napatunayang ideya ng asteroid mining.

Maaaring kemikal na i-extract ang silicon, aluminum, at iron mula sa lunar soil para sa paggawa ng solar cells. Maaaring dalhin ang mga trace element mula sa Earth para sa doping ng solar cells.

Tinatantiya na ang isang kilogram ng materyales na inilipat mula sa Earth patungo sa Moon ay magdudulot ng paghahatid ng 200 beses na mas maraming enerhiya elektrikal sa Earth kumpara sa isang kilogram ng solar-powered satellite.
David R. Criswell

Gayunpaman, ang ideya ay may ilang limitasyon.

Kapansin-pansin, ang Moon ay may 28-araw na day/night cycle, na nag-uutos sa ganitong konsepto na umasa sa sunud-sunod na mga power plant na nakakalat sa buong ibabaw ng Moon (o orbital mirrors) upang magbigay ng tuloy-tuloy na output.

Helium 3, Fusion, at mga Planta ng Enerhiya sa Buwan

Isa pang talakayan tungkol sa hinaharap na enerhiya na kinasasangkutan ang Moon ay ang deposito nito ng Helium-3. Ang napakabihirang elemento sa Earth ay teoritikal na maaaring magpatakbo ng ultra-efficient na anyo ng nuclear fusion.

Sa teorya, maaaring gawing susi ang space exploration at mining sa ating hinaharap na suplay ng enerhiya. Sa praktika, ang fusion ay nasa experimental stage pa rin.

Katulad na mga mapagkukunan ng bihirang isotopes ng hydrogen, helium, at iba pang elemento, halimbawa, sa mga gas giant na Jupiter at Saturn, ay maaaring gumanap ng katulad na papel sa hinaharap.

Ang Moon ay maaari ring isipin bilang lokasyon para sa isang potensyal na mapanganib ngunit lubhang produktibong power system (lalo na nuclear), na nag-aalis ng panganib ng isang mapaminsalang pagkabigo mula sa Earth. Gayunpaman, ang pagkawala ng enerhiya sa pag-beam pabalik ng ganitong pinagmumulan ng enerhiya, pati na ang gastos ng pagtatayo sa kalawakan, ay maaaring magpahirap na maging kumita.

Mga Kumpanya sa Solar Space

1. Space Solar

Ang Space Solar ay isang British na kumpanya na naglalayong mag-develop ng 2GW na space solar satellite, CASSIOPeiA. Ito ay magiging isa sa pinakamalalaking estruktura na kailanman itinayo ng sangkatauhan, na ginagawang napakaliit kumpara sa ilan sa pinakamataas na skyscraper.

Pinagmulan: Space Solar

Ang CASSIOPeiA ay maglalaman ng 60,000 solar panel, may bigat na 2,000 tonelada, at umiikot sa geosynchronous altitude.

Ang power transmission ay gagawin gamit ang isang changing phase array upang itutok ang energy beam. Ang ground station ay kailangang may 5km na diameter. Ang power-beaming technology ay naipakita na sa Earth, na may 30kW na kapangyarihan. Naabot ito salamat sa HARRIER, ang unang 360° wireless power transmission na walang moving part, isang susi para sa mataas na reliability.

Ang konsepto ng power satellite ay magtataglay ng 2 solar reflector na magbabalik ng sikat ng araw sa central collector segment.

Pinagmulan: Space Solar

Inaasahang aabutin ng £17B ang programa para sa unang bersyon, na may gastos na £3.6B para sa mga susunod na iterasyon. Ito ay magdadala nito sa 1/4 ng gastos ng katumbas na nuclear power plant na may 2GW na kapasidad, isang patas na paghahambing, isinasaalang-alang ang baseload profile ng power plant.

2. Reflect Orbital

Tulad ng nabanggit kanina, ang Reflect Orbital ay hindi naglalayong mag-generate ng power sa orbit. Sa halip, ang kanilang negosyo ay naglalayong “ibenta” ang sikat ng araw pagkatapos ng dilim sa mga ground-based na kumpanya ng solar.

Sa mga oras na tumataas ang presyo agad pagkatapos ng paglubog ng araw, kapag ang mga tao ay nasa bahay na ngunit ang renewables ay offline, maaaring ito ay isang magandang estratehiya. Bukod pa rito, ang satellite sunbeam ay madaling i-redirect sa iba’t ibang lokasyon, na nagbibigay-daan sa arbitrage sa pagitan ng iba’t ibang presyo sa mga bansa o masamang panahon sa isang lugar.

Ginagawa nitong isang kawili-wiling kumpanya na subaybayan kung sakaling, talagang, ang conversion ng sikat ng araw sa kuryente, pagkatapos microwave, at pabalik sa kuryente ay masyadong hindi epektibo upang makipagkumpetensya sa ground-based solar.

Sa ngayon, ang kumpanya ay nagde-develop ng kanilang mga satellite at nangangalap ng pondo. Upang mas maipaliwanag ang konsepto, gumawa rin sila ng demo gamit ang isang hot air balloon na 3km ang taas na naging viral.

Pinagmulan: Reflect Orbital

Ang kumpanya ay nagbabalak na subukan ang isang prototype pagsapit ng 2025. Ang satellite ay may bigat na 35 pounds (16 kilograms) bawat isa at magkakaroon ng mylar mirrors na 33 talampakan x 33 talampakan (9.9 x 9.9 metro) ang sukat, na magbubukas kapag nasa orbit.

Ang mga plano ng Reflect Orbital ay maaaring hindi gaanong high-tech kumpara sa isang buong orbital o Moon-based na solar satellite network. Ngunit maaaring ito ay isang kalakasan, dahil ito ay gumagamit lamang ng ganap na kilalang teknolohiya sa isang malikhaing paraan, na napag-aralan na sa loob ng mga dekada. Maaaring bahagyang mabawasan nito ang panganib ng proyekto.