Het is ruimteweek op Energy.gov. We verkennen het zonnestelsel (en verder) om de bijdragen van het Energy Department en onze National Labs aan het Amerikaanse ruimtevaartprogramma onder de aandacht te brengen. Kom deze week elke dag terug voor nieuwe video’s, interactieve grafieken, tijdlijnen en meer — en stel je vragen voor onze Lab Twitter chat over donkere energie, die deze vrijdag, 7 maart, plaatsvindt. Gebruik de hashtag #SpaceWeek om deel te nemen aan het gesprek op Twitter, Facebook, Google+ en Instagram.
Je kunt ’s nachts geen zonne-energie verzamelen. Tenminste, niet op aarde. Omdat het Space Week is, dachten we dat het gepast zou zijn om te kijken naar een veelbelovend, maar futuristisch, idee dat het gezicht van zonne-energieopwekking zou kunnen veranderen: Space-Based Solar Power (SBSP). Hoewel het Ministerie van Energie niet actief onderzoek doet naar SBSP, hopen we dat u even de tijd neemt om meer te weten te komen over dit verre concept.
Het idee om zonne-energie in de ruimte op te vangen voor gebruik als energie op aarde bestaat al sinds het begin van het ruimtetijdperk. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers over de hele wereld — en verschillende onderzoekers van het eigen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) van het Energy Department — laten zien hoe recente technologische ontwikkelingen dit concept tot werkelijkheid zouden kunnen maken.
Op aarde wordt zonne-energie sterk beperkt door nacht, bewolking, atmosfeer en seizoensgebondenheid. Zo’n 30% van alle binnenkomende zonnestraling komt nooit op grondniveau. In de ruimte schijnt de zon altijd, de hellingshoek van de aarde verhindert het opvangen van stroom niet en er is geen atmosfeer die de intensiteit van de zonnestralen vermindert. Dit maakt het plaatsen van zonnepanelen in de ruimte een verleidelijke mogelijkheid. Bovendien kan SBSP worden gebruikt om betrouwbare en schone energie te leveren aan mensen in afgelegen gemeenschappen over de hele wereld, zonder afhankelijk te zijn van het traditionele net naar een grote lokale energiecentrale.
Hoe werkt het?
Zelf-assemblerende satellieten worden de ruimte in gelanceerd, samen met reflectoren en een microgolf- of laserstroomzender. Reflectoren of opblaasbare spiegels verspreiden zich over een groot deel van de ruimte en sturen zonnestraling naar zonnepanelen. Deze panelen zetten de zonne-energie om in een microgolf of een laser, en stralen ononderbroken stroom naar de aarde. Op aarde vangen stroomontvangstations de straling op en voegen die toe aan het elektriciteitsnet.
De twee meest besproken ontwerpen voor SBSP zijn een grote, dieper in de ruimte gelegen microgolf-zendsatelliet en een kleinere, dichterbij gelegen laser-zendsatelliet.
Microgolf-zendsatellieten
Microgolf-zendsatellieten draaien in een geostationaire baan (GEO) om de aarde, ongeveer 35.000 km boven het aardoppervlak. Ontwerpen voor microgolf-uitzendingssatellieten zijn massief, met zonnereflectoren die tot 3 km kunnen reiken en meer dan 80.000 ton wegen. Zij zouden in staat zijn om meerdere gigawatts stroom op te wekken, genoeg om een grote stad in de V.S. van stroom te voorzien.
De lange golflengte van de microgolf vereist een lange antenne, en maakt het mogelijk om stroom door de atmosfeer van de aarde te stralen, regen of zonneschijn, op veilige, lage intensiteitsniveaus nauwelijks sterker dan de middagzon. Vogels en vliegtuigen zouden niet veel merken van iets dat over hun pad vliegt.
De geschatte kosten van lancering, assemblage en exploitatie van een met microgolven uitgeruste GEO-satelliet lopen in de tientallen miljarden dollars. Er zouden waarschijnlijk wel 40 lanceringen nodig zijn om alle benodigde materialen de ruimte te laten bereiken. Op aarde zou de rectenna die wordt gebruikt voor het opvangen van de microgolfstraal ergens tussen de 3 en 10 km in diameter zijn, een enorm stuk land, en een uitdaging om aan te schaffen en te ontwikkelen.
Laser-zend satellieten
Laser-zend satellieten, zoals beschreven door onze vrienden bij LLNL, draaien in een lage baan om de aarde (LEO) op ongeveer 400 km boven het aardoppervlak. Met een gewicht van minder dan 10 ton is deze satelliet een fractie van het gewicht van zijn microgolf-tegenhanger. Dit ontwerp is ook goedkoper; sommigen voorspellen dat een met een laser uitgeruste SBSP-satelliet bijna 500 miljoen dollar zou kosten om te lanceren en te exploiteren. Het zou mogelijk zijn de hele zelf-assemblerende satelliet in één enkele raket te lanceren, waardoor de kosten en de productietijd drastisch zouden verminderen. Door het gebruik van een laserzender zal de straal slechts een diameter van ongeveer 2 meter hebben, in plaats van verscheidene kilometers, een drastische en belangrijke vermindering. Om dit mogelijk te maken, maakt het zonnestraalsysteem van de satelliet gebruik van een diode-gepompt alkalilaser. Deze laser werd voor het eerst gedemonstreerd op de LLNL in 2002 — en is daar momenteel nog in ontwikkeling — en zou ongeveer zo groot zijn als een keukentafel, en krachtig genoeg om stroom naar de aarde te stralen met een extreem hoog rendement, meer dan 50 procent.
Hoewel deze satelliet veel lichter, goedkoper en gemakkelijker te implementeren is dan zijn tegenhanger in de microgolf, blijven er serieuze uitdagingen bestaan. Het idee van lasers met een hoog vermogen in de ruimte kan de vrees aanwakkeren dat de ruimte wordt gemilitariseerd. Dit probleem kan worden verholpen door de richting te beperken waarin het lasersysteem zijn vermogen kan uitzenden.
Als gevolg van zijn kleinere afmetingen is er een dienovereenkomstig lagere capaciteit van ongeveer 1 tot 10 megawatt per satelliet. Daarom zou deze satelliet het beste deel kunnen uitmaken van een vloot van soortgelijke satellieten, die samen worden gebruikt.
Je zou kunnen zeggen dat SBSP nog ver weg is of een luchtkasteel (woordspelingen bedoeld) — en je zou grotendeels gelijk hebben. Maar veel technologieën bestaan al om dit haalbaar te maken, en veel liggen niet ver achter. Het ministerie van Energie ontwikkelt momenteel geen specifieke SBSP-technologieën, maar veel van de resterende technologieën die voor SBSP nodig zijn, kunnen in de komende jaren onafhankelijk worden ontwikkeld. En hoewel we de toekomst van energie uit de ruimte niet kennen, zijn we enthousiast om ideeën als deze te zien vliegen (oké laatste woordspeling, ik beloof het).