Kan solpaneler i rymden ge ren energi till jorden?

I 100 år har människor drömt om att skicka stora mängder solpaneler ut i rymden och överföra sin energi till jorden. Till skillnad från markbaserade intermittenta förnybara energikällor, skulle dessa kretsande paneler alltid utsättas för solljus och potentiellt erbjuda en kontinuerlig strömförsörjning.

Nu börjar sådana projekt se möjliga ut, tack vare billigare hårdvara och de fallande kostnaderna för rymduppskjutningar. Team runt om i världen arbetar med nyckelelement i rymdbaserade solenergisystem och en prototyp byggd av forskare från California Institute of Technology (Caltech) förväntas påbörja experiment i omloppsbana denna månad.

“Det finns inget konstigt med det som skulle kräva ny fysik”, säger James Carpenter, som är medledare för Solaris initiativ, en förstudie genomförd av European Space Agency (ESA) som kan leda till full utveckling av tekniken från 2025. Forsknings- och teknologicentrum i Noordwijk, Nederländerna.

Rymden solenergi skulle bara vara lönsam om den implementerades i stor skala. Forskare planerar att bygga uppsättningar av solpaneler flera kilometer breda som skulle kretsa runt jorden på ett avstånd av cirka 36 000 kilometer. Energin de skördar skulle omvandlas till mikrovågor och överföras till ytbaserade mottagare med ännu större fysiska fotavtryck.

Kina har tillkännagivit planer på att sätta en demonstrationsenhet i megawatt-skala i låg omloppsbana om jorden 2028, innan ett annat system distribueras till en mer avlägsen geosynkron bana 2030. Carpenter säger att med tillräcklig finansiering kan det första solkraftverket med flera gigawatts vara i drift år 2040. Men trots spänningen kvarstår enorma tekniska hinder.

Natur undersöker fem stora frågor som forskare behöver svara på för att göra rymdsolenergi till verklighet.

Hur bygger man en solcellsfarm i rymden?

För att generera en gigawatt effekt – jämförbar med effekten av ett kraftverk på jorden – måste arrayerna i omloppsbana vara större än en kvadratkilometer. Den är mer än 100 gånger så stor som den internationella rymdstationen, som tog ett decennium att bygga. Ett nätverk skulle byggas ihop i rymden av moduler som kunde masstillverkas och lanseras separat. Caltechs experiment kommer att involvera utplacering av en tätt vikt struktur i en plattform av solpaneler lika stor som ett matbord, men moduler i en fullskalig array kan vara upp till 60 meter långa.

Andra projekt använder olika design. Bland förslagen som övervägs av ESA:s Solaris-initiativ är en spiralformad struktur, och i Xi’an, Kina, utvecklar Xidian Universitys Chasing the Sun-projekt en kronformad solfångare. Båda skulle kräva fjärrmontering av robotar i omloppsbana, en fortfarande begynnande teknik.

Tekniken bakom sådana system är “otroligt komplex”, säger Karen Jones, rymdekonom vid Aerospace Corporation i Arlington, Virginia. Caltech hoppas kunna kringgå detta problem genom att flyga sina flexibla paneler i formation, utan att knyta ihop dem, och använda algoritmer för att korrigera för positionsfluktuationer som påverkar kraftöverföringen. Oavsett vilken design som används förväntas komponenterna släppas varje vecka, i en aldrig tidigare skådad takt, säger Jovana Radulovic, kemiingenjör vid University of Portsmouth, Storbritannien.

Vilken typ av solceller skulle användas?

Solceller måste vara lätta och effektiva för att minska startkostnaderna. Varje kilogram panel bör producera 1 till 2 kilowatt el, säger David Homfray, en fysiker som leder ingenjörsarbete i Storbritanniens offentlig-privata sektor. Space Energy Initiative. Detta kraft-till-vikt-förhållande är ungefär 50 gånger det för konventionella kiselceller på jorden. De flesta konstruktioner syftar till att öka solcellers exponering för solljus med hjälp av koncentratorer, speglar och andra innovativa strukturer.

Cellerna kommer också att behöva motstå intensiv strålning i rymden. Ändå är de robusta solcellsmaterial som används i många rymdsonder för dyra att distribuera i en stor uppsättning, så forskare måste veta hur billigare alternativ kommer att fungera, säger Radulovic.

För detta ändamål kommer ett experiment på Caltech-prototypen att testa 32 lätta solceller, inklusive lågprisperovskiter. “Tanken här är att typ göra ett livslängdstest”, säger Ali Hajimiri, som medledare för Caltech-projektet.

Hur kommer solenergin att nå jorden?

Detta är utan tvekan den största utmaningen. Även om laserstrålar överför energi effektivt, kan moln blockera dem. För att undvika detta problem hoppas forskarna kunna omvandla elektriciteten från solpanelerna till mikrovågor, som passerar genom atmosfären utan att slösa mycket energi. Men mikrovågor sprider sig när de färdas, så ingenjörer måste noggrant tajma hur vågorna sänds ut och använda mottagningsstationer miles över för att samla in dem.

Omvandlingen av solenergi till elektricitet, sedan till mikrovågor och tillbaka till markelektricitet kommer oundvikligen att leda till förluster. “Ingen kommer på allvar att överväga den här idén förrän dessa förluster har minskat avsevärt”, säger Radulovic. ESA uppskattar att endast 10-15 % av solenergin som faller på en rymdmatris behöver tillföras elnätet för att ett system ska vara ekonomiskt lönsamt. Men att uppnå detta skulle fortfarande kräva betydande framsteg inom flera energiomvandlingstekniker, enligt byrån.

Förra året använde forskare från Xidian University mikrovågor för att överföra solenergi 55 meter i ett småskaligt experiment på jorden. Genom att endast använda konventionella kiselceller uppnådde den en total effektivitet på cirka 2,4 %; testet markerade första gången hela sekvensen hade demonstrerats i ett enda system, säger Xun Li, en forskare på projektet. Caltechs prototyp kommer att vara det första rymdexperimentet som använder mikrovågor för att överföra och ta emot energi, om än över bara 30 centimeter, tillägger Hajimiri.

Kommer allt vara värt det?

Rymdorganisationer och nationer tror att rymdbaserad solenergi kan bidra till att uppnå målet om netto noll koldioxidutsläpp till 2050. Men “vi måste bevisa att det verkligen kommer att bli en nettovinst för planeten”, säger Jones.

Rymdens solenergi skulle förvisso vara mycket dyrare än jordbunden solenergi. Det kan dock konkurrera med kostnaderna för andra kontinuerliga energikällor med låga koldioxidutsläpp, såsom kärnkraft eller gas med kolavskiljningsteknik, säger Carpenter – även om mer ekonomiska sätt att lagra el på roterande mark skulle kunna minska fallet med en rymdinstallation.

Samtidigt har forskare vid University of Strathclyde, Storbritannien, beräknat att det skulle ta mindre än sex år för ett rymdsolkraftverk att kompensera för de växthusgaser som släpps ut från utveckling, konstruktion och installation av projektet. “Det ser riktigt, riktigt konkurrenskraftigt ut”, säger Homfray. Ändå ifrågasätter Radulovic tillförlitligheten av dessa uppskattningar, med tanke på osäkerheten om hur dessa system kommer att utformas och distribueras.

Kommer det att vara säkert?

Utsläpp av mikrovågsenergi från rymden är förvånansvärt säkert. Strålens frekvens kommer att väljas för att inte störa flygplanets kommunikation. Och eftersom dess effekt skulle spridas över ett så stort område, skulle den genomsnittliga energitätheten som tas emot av markstationer vara cirka 50 watt per kvadratmeter, säger Carpenter, vilket motsvarar den ofarliga nivån av mikrovågor som kan fly från en mikrovågsugn . “Det är inom vad som skulle anses vara en normal säkerhetsriktlinje för mänsklig exponering”, säger han.

Men forskare måste bevisa att det inte finns några negativa effekter på människor, djur eller miljön i stort. “Jag tror att de måste följa ledningen för den mobila trådlösa industrin som har haft samma oro, och inte bagatellisera dessa farhågor, utan bevisa det med studier”, säger Jones.