Det är rymdvecka på Energy.gov. Vi utforskar solsystemet (och bortom det) för att belysa energidepartementets och våra nationella laboratoriers bidrag till USA:s rymdprogram. Titta tillbaka varje dag den här veckan för nya videor, interaktiv grafik, tidslinjer med mera – och skicka in dina frågor till vår Twitter-chatt om mörk energi, som äger rum fredagen den 7 mars. Använd hashtaggen #SpaceWeek för att delta i samtalet på Twitter, Facebook, Google+ och Instagram.
Du kan inte samla in solenergi på natten. Åtminstone inte på jorden. Eftersom det är rymdvecka tyckte vi att det vore lämpligt att titta på en lovande, men futuristisk, idé som skulle kunna förändra solenergiproduktionen: Rymdbaserad solenergi (Space-Based Solar Power, SBSP). Även om energidepartementet inte aktivt forskar om SBSP hoppas vi att du tar dig en stund för att lära dig mer om detta långtgående koncept.
Tanken på att fånga upp solenergi i rymden för att använda den som energi på jorden har funnits sedan rymdålderns början. Under de senaste åren har dock forskare runt om i världen – och flera forskare vid energidepartementets eget Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) – visat hur den senaste tekniska utvecklingen kan göra detta koncept till verklighet.
På jorden reduceras solenergin kraftigt av natten, molntäcket, atmosfären och säsongsvariationer. Ungefär 30 procent av all inkommande solstrålning når aldrig upp till marknivå. I rymden lyser solen alltid, jordens lutning hindrar inte insamling av energi och det finns ingen atmosfär som minskar solstrålarnas intensitet. Detta gör det frestande att placera solpaneler i rymden. Dessutom kan SBSP användas för att få tillförlitlig och ren energi till människor i avlägsna samhällen runt om i världen, utan att förlita sig på det traditionella elnätet till ett stort lokalt kraftverk.
Hur fungerar det?
Självmonterande satelliter skjuts upp i rymden tillsammans med reflektorer och en mikrovågs- eller laserkraftsändare. Reflektorer eller uppblåsbara speglar sprids över ett stort område i rymden och riktar solstrålningen mot solpaneler. Dessa paneler omvandlar solenergi till antingen mikrovågor eller laser och sänder oavbruten energi ner till jorden. På jorden samlar kraftmottagningsstationer in strålen och lägger den till elnätet.
De två mest diskuterade konstruktionerna för SBSP är en stor, djupare mikrovågssändande satellit i rymden och en mindre, närmare lasersändande satellit.
Mikrovågssändande satelliter
Mikrovågssändande satelliter kretsar kring jorden i en geostationär omloppsbana (GEO), cirka 35 000 km ovanför jordens yta. Satelliter som sänder mikrovågor är massiva, med solreflektorer som sträcker sig upp till 3 km och väger över 80 000 ton. De skulle kunna generera flera gigawatt energi, tillräckligt för att försörja en större amerikansk stad.
Mikrovågens långa våglängd kräver en lång antenn och gör det möjligt att stråla energi genom jordens atmosfär, regn eller solsken, på säkra, låga intensitetsnivåer som knappt är starkare än middagssolen. Fåglar och flygplan skulle inte märka mycket av något som flyger över deras banor.
Den uppskattade kostnaden för att skjuta upp, montera och driva en mikrovågsutrustad GEO-satellit uppgår till tiotals miljarder dollar. Det skulle troligen krävas så många som 40 uppskjutningar för att allt nödvändigt material ska nå rymden. På jorden skulle den rektantenn som används för att samla in mikrovågsstrålen vara någonstans mellan 3 och 10 km i diameter, ett enormt landområde och en utmaning att köpa och utveckla.
Lasersändande satelliter
Lasersändande satelliter, som beskrivs av våra vänner vid LLNL, kretsar i en låg omloppsbana (LEO) på cirka 400 km över jordytan. Med en vikt på mindre än 10 ton är denna satellit en bråkdel av vikten hos sin motsvarighet i mikrovågsformat. Vissa förutspår att en laserutrustad SBSP-satellit skulle kosta nästan 500 miljoner dollar att skjuta upp och driva. Det skulle vara möjligt att skjuta upp hela den självmonterande satelliten med en enda raket, vilket drastiskt skulle minska kostnaden och produktionstiden. Genom att använda en lasersändare kommer strålen dessutom bara att vara cirka 2 meter i diameter i stället för flera kilometer, vilket är en drastisk och viktig minskning.
För att göra detta möjligt använder satellitens strålsystem med solenergi en diodpumpad alkali-laser. Denna laser demonstrerades för första gången vid LLNL 2002 – och är för närvarande fortfarande under utveckling där – och skulle vara ungefär lika stor som ett köksbord och tillräckligt kraftfull för att stråla kraft till jorden med en extremt hög verkningsgrad, över 50 procent.
Men även om denna satellit är mycket lättare, billigare och enklare att installera än sin motsvarighet i mikrovågsformat, återstår det fortfarande stora utmaningar. Idén om högeffektiva lasrar i rymden skulle kunna väcka farhågor om en militarisering av rymden. Denna utmaning skulle kunna avhjälpas genom att begränsa den riktning som lasersystemet kan sända sin kraft i.
Med sin mindre storlek finns det en motsvarande lägre kapacitet på cirka 1 till 10 megawatt per satellit. Därför skulle denna satellit vara bäst som en del av en flotta av liknande satelliter som används tillsammans.
Du kan säga att SBSP är långt borta eller en dröm (med avsiktliga ordlekar) – och du har till stor del rätt. Men det finns redan många tekniker som gör det möjligt att genomföra detta, och många är inte långt borta. Även om energidepartementet för närvarande inte utvecklar någon specifik SBSP-teknik, kan många av de återstående tekniker som behövs för SBSP utvecklas oberoende av varandra under de kommande åren. Och även om vi inte vet hur framtiden ser ut för energi som hämtas från rymden, är vi glada att se idéer som denna ta fart (okej, sista ordvitsen, jag lovar).