Energy.govissa on avaruusviikko. Tutustumme aurinkokuntaan (ja sen ulkopuolelle) korostaaksemme energiaministeriön ja kansallisten laboratorioiden panosta Yhdysvaltain avaruusohjelmaan. Tutustu joka päivä tällä viikolla uusiin videoihin, interaktiivisiin grafiikoihin, aikajanoihin ja muuhun – ja lähetä kysymyksesi pimeää energiaa käsittelevään laboratorion Twitter-keskusteluun, joka järjestetään perjantaina 7. maaliskuuta. Käytä hashtagia #SpaceWeek ja osallistu keskusteluun Twitterissä, Facebookissa, Google+:ssa ja Instagramissa.
Aurinkoenergiaa ei voi kerätä yöllä. No, ei ainakaan maapallolla. Koska on avaruusviikko, ajattelimme, että olisi sopivaa tarkastella yhtä lupaavaa, mutta futuristista ideaa, joka voisi muuttaa aurinkoenergian tuottamisen kasvot: Avaruuteen perustuva aurinkoenergia (SBSP). Vaikka energiaministeriö ei tutki aktiivisesti SBSP:tä, toivomme, että käytätte hetken tutustuaksenne tähän kaukaa haettuun konseptiin.
Ajatus aurinkoenergian talteenotosta avaruudessa käytettäväksi energialähteenä maapallolla on ollut olemassa avaruusajan alusta lähtien. Viime vuosina tutkijat eri puolilla maailmaa – ja useat tutkijat energiaministeriön omassa Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) – ovat kuitenkin osoittaneet, miten viimeaikainen teknologinen kehitys voisi tehdä tästä konseptista todellisuutta.
Maailmassa aurinkoenergiaa vähentävät huomattavasti yö, pilvipeite, ilmakehä ja vuodenaikojen vaihtelu. Noin 30 prosenttia kaikesta saapuvasta auringon säteilystä ei koskaan pääse maanpinnalle. Avaruudessa aurinko paistaa aina, Maan kallistus ei estä energian keräämistä eikä ilmakehä vähennä auringonsäteiden voimakkuutta. Tämän vuoksi aurinkopaneelien sijoittaminen avaruuteen on houkutteleva mahdollisuus. Lisäksi SBSP:n avulla voidaan saada luotettavaa ja puhdasta energiaa syrjäseutujen asukkaille eri puolilla maailmaa ilman, että he ovat riippuvaisia perinteisestä sähköverkosta tai suuresta paikallisesta voimalaitoksesta.
Miten se toimii?
Avaruuteen laukaistaan itsenäisesti koottavia satelliitteja, heijastimia ja mikroaalto- tai laserteholähetin. Heijastimet eli puhallettavat peilit levittäytyvät laajalle avaruusalueelle ja ohjaavat auringon säteilyn aurinkopaneeleihin. Nämä paneelit muuttavat aurinkoenergian joko mikroaalto- tai lasersähköksi ja säteilevät keskeytymättömän virran Maahan. Maassa sähkön vastaanottoasemat keräävät säteen ja lisäävät sen sähköverkkoon.
Kaksi yleisimmin keskusteltua SBSP-mallia ovat suuri, syvemmällä avaruudessa sijaitseva mikroaaltolähetyssatelliitti ja pienempi, lähempänä sijaitseva laserlähetyssatelliitti.
Mikroaaltolähetyssatelliitit
Mikroaaltolähetyssatelliitit kiertävät maapalloa geostationaarisella kiertoradalla (GEO-kiertoradalla), joka on n. 35 000 km:n korkeudella maapallon pinnasta. Mikroaaltolähetyssatelliittien mallit ovat massiivisia, ja niiden aurinkoheijastimet ulottuvat jopa 3 kilometrin päähän ja painavat yli 80 000 tonnia. Ne kykenisivät tuottamaan useiden gigawattien tehon, joka riittäisi Yhdysvaltain suurkaupungin virransyöttöön.
Mikroaaltojen pitkä aallonpituus edellyttää pitkää antennia, ja sen avulla teho voidaan lähettää Maan ilmakehän läpi sateella tai auringonpaisteella turvallisella, matalalla intensiteetillä, joka on tuskin keskipäivän aurinkoa voimakkaampi. Linnut ja lentokoneet eivät huomaisi juuri mitään, mikä lentäisi niiden reitillä.
Mikroaalloilla varustetun GEO-satelliitin laukaisu-, kokoamis- ja käyttökustannukset ovat arviolta kymmeniä miljardeja dollareita. Se vaatisi todennäköisesti jopa 40 laukaisua, jotta kaikki tarvittavat materiaalit pääsisivät avaruuteen. Maassa mikroaaltosäteen keräämiseen käytettävän suorakaiteen halkaisija olisi 3-10 km, mikä olisi valtava maa-alue ja haaste hankkia ja kehittää.
Laser-lähetyssatelliitit
Laser-lähetyssatelliitit, kuten ystävämme LLNL:ssä kuvailevat, kiertävät matalalla kiertoradalla (LEO) noin 400 km:n korkeudella Maan pinnasta. Tämä alle 10 tonnin painoinen satelliitti on murto-osa mikroaaltosatelliittinsa painosta. Joidenkin ennusteiden mukaan laserilla varustetun SBSP-satelliitin laukaisu- ja käyttökustannukset olisivat lähes 500 miljoonaa dollaria. Koko itsekokoava satelliitti olisi mahdollista laukaista yhdellä ainoalla raketilla, mikä vähentäisi huomattavasti kustannuksia ja tuotantoaikaa. Käyttämällä laserlähetintä säde on halkaisijaltaan vain noin 2 metriä useiden kilometrien sijaan, mikä on huomattava ja tärkeä vähennys.
Tämän mahdollistamiseksi satelliitin aurinkoenergialla toimivassa sädejärjestelmässä käytetään diodipumpattua alkalilaseria. Ensimmäisen kerran LLNL:ssä vuonna 2002 esitelty – ja siellä edelleen kehitteillä oleva – laser olisi noin keittiön pöydän kokoinen, ja se olisi riittävän tehokas säteilemään energiaa Maahan erittäin suurella hyötysuhteella, yli 50 prosentilla.
Vaikka tämä satelliitti on paljon kevyempi, halvempi ja helpompi ottaa käyttöön kuin mikroaaltoverkossa toimiva vastineensa, vakavia haasteita on vielä jäljellä. Ajatus suuritehoisista lasereista avaruudessa saattaa herättää pelkoja avaruuden militarisoinnista. Tämä haaste voitaisiin korjata rajoittamalla suuntaa, johon laserjärjestelmä voisi lähettää tehoaan.
Kokoa pienemmän satelliitin kapasiteetti on vastaavasti pienempi, noin 1-10 megawattia satelliittia kohti. Siksi tämä satelliitti sopisi parhaiten osaksi samankaltaisten satelliittien laivastoa, jota käytettäisiin yhdessä.
Voisit sanoa, että SBSP on kaukana tai että se on taivaan tuuliajolla (sanaleikki on tarkoitettu) – ja olisit pitkälti oikeassa. Mutta monia tekniikoita on jo olemassa, jotka tekevät siitä toteuttamiskelpoista, eivätkä monet ole kaukana siitä. Vaikka energiaministeriö ei tällä hetkellä kehitä mitään erityistä SBSP-teknologiaa, monet SBSP:hen tarvittavista teknologioista voidaan kehittää itsenäisesti tulevina vuosina. Ja vaikka emme tiedä avaruudesta saatavan energian tulevaisuutta, olemme innoissamme nähdessämme tämänkaltaisten ideoiden nousevan lentoon (okei, viimeinen sanaleikki, lupaan sen).