StudioFI / Shutterstock
Het idee van zonne-energie uit de ruimte (SBSP) – satellieten gebruiken om energie van de zon te verzamelen en naar verzamelpunten op aarde te “stralen” – bestaat al minstens sinds het einde van de jaren 1960. Ondanks het enorme potentieel heeft het concept nog niet voldoende aan kracht gewonnen vanwege de kosten en technologische obstakels.
Kunnen sommige van deze problemen nu worden opgelost? Zo ja, dan zou SBSP een vitaal onderdeel kunnen worden van de wereldwijde overgang van fossiele brandstoffen naar groene energie.
We oogsten al energie van de zon. Het wordt rechtstreeks verzameld door wat we over het algemeen zonne-energie noemen. Dit omvat verschillende technologieën zoals fotovoltaïsche energie (PV) en thermische zonne-energie. De energie van de zon wordt ook indirect verzameld: windenergie is hier een voorbeeld van, omdat winden worden opgewekt door ongelijkmatige opwarming van de atmosfeer door de zon.
Maar deze groene vormen van energieopwekking hebben beperkingen. Ze nemen veel ruimte in op het land en zijn beperkt door de beschikbaarheid van licht en wind. Zonneparken bijvoorbeeld verzamelen ’s nachts geen energie en ’s winters en op bewolkte dagen minder.
PV in een baan om de aarde wordt niet beperkt door het invallen van de nacht. Een satelliet in een geostationaire baan (GEO) – een cirkelvormige baan rond 36.000 km boven de aarde – wordt gedurende een heel jaar meer dan 99% van de tijd aan de zon blootgesteld. Hierdoor kan hij 24/7 groene energie produceren.
GEO is ideaal voor als er energie van het ruimteschip naar een energiecollector of grondstation moet worden gestuurd, omdat satellieten hier stationair zijn ten opzichte van de aarde. Men denkt dat er 100 keer meer zonne-energie beschikbaar is vanaf GEO, dan de geschatte wereldwijde energiebehoefte van de mensheid in 2050.
Om de in de ruimte verzamelde energie over te brengen naar de grond is draadloze energieoverdracht nodig. Door hiervoor microgolven te gebruiken wordt het energieverlies in de atmosfeer geminimaliseerd, zelfs bij bewolkte hemel. De microgolfstraal die door de satelliet wordt uitgezonden, wordt gericht op het grondstation, waar antennes de elektromagnetische golven weer omzetten in elektriciteit. Het grondstation moet een diameter van 5 km hebben, of meer op hoge breedtes. Dit is echter nog steeds kleiner dan het landoppervlak dat nodig is om dezelfde hoeveelheid stroom te produceren met behulp van zonne-energie of windenergie.
Ontwikkelende concepten
Sinds het eerste concept van Peter Glaser in 1968 zijn er talloze ontwerpen voorgesteld.
Tekening van de satellietmethode van Peter Glaser om zonnestraling om te zetten in elektrische energie.
U.S. Octrooibureau
In SBSP wordt de energie verschillende keren omgezet (licht naar elektriciteit naar microgolven naar elektriciteit) en een deel ervan gaat verloren als warmte. Om 2 gigawatt (GW) aan energie in het elektriciteitsnet te injecteren, moet ongeveer 10 GW aan energie door de satelliet worden verzameld.
Een recent concept genaamd CASSIOPeiA bestaat uit twee 2 km brede stuurbare reflectoren. Deze reflecteren het zonlicht in een serie zonnepanelen. Deze vermogenszenders, met een diameter van ongeveer 1.700 meter, kunnen op het grondstation worden gericht. Men schat dat de satelliet een massa van 2.000 ton kan hebben.
Een andere architectuur, SPS-ALPHA, verschilt van CASSIOPeiA doordat de zonnecollector een grote structuur is die bestaat uit een groot aantal kleine, modulaire reflectoren, heliostaten genaamd, die elk onafhankelijk kunnen worden verplaatst. Ze worden in massa geproduceerd om de kosten te drukken.
Artistieke impressie van het SPS-ALPHA concept.
NASA/John Mankins
In 2023 lanceerden wetenschappers van Caltech MAPLE, een kleinschalig satellietexperiment dat een kleine hoeveelheid energie terugstraalde naar Caltech. MAPLE bewees dat de technologie gebruikt kon worden om energie naar de aarde te sturen.
Nationale en internationale belangstelling
SBSP kan een cruciale rol spelen bij het behalen van de net-nul doelstelling van het Verenigd Koninkrijk in 2050 – maar de huidige strategie van de regering omvat het niet. Uit een onafhankelijk onderzoek blijkt dat SBSP tegen 2050 tot 10 GW aan elektriciteit kan opwekken, een kwart van de huidige vraag in het VK. SBSP zorgt voor een veilige en stabiele energievoorziening.
Het zal ook een miljardenindustrie creëren, met 143.000 banen in het hele land. Het Europees Ruimteagentschap evalueert momenteel de levensvatbaarheid van SBSP met zijn SOLARIS-initiatief. Dit zou gevolgd kunnen worden door een volledig ontwikkelingsplan voor de technologie tegen 2025.
Andere landen hebben onlangs de intentie aangekondigd om tegen 2025 energie naar de aarde te stralen en in de komende twee decennia over te gaan op grotere systemen.
Een enorme satelliet
Als de technologie klaar is, waarom wordt SBSP dan niet gebruikt? De belangrijkste beperking is de enorme hoeveelheid massa die de ruimte in gelanceerd moet worden en de kosten per kilogram. Bedrijven als SpaceX en Blue Origin ontwikkelen lanceervoertuigen voor zware lasten, waarbij de nadruk ligt op het hergebruiken van onderdelen van die voertuigen nadat ze hebben gevlogen. Dit kan de kosten van de onderneming met 90% omlaag brengen.
Zelfs met het Starship-voertuig van SpaceX, dat 150 ton vracht in een lage baan om de aarde kan brengen, zijn er voor de SBSP-satelliet honderden lanceringen nodig. Sommige onderdelen, zoals lange structurele spanten – structurele elementen die ontworpen zijn om lange afstanden te overbruggen – zouden 3D-geprint kunnen worden in de ruimte.
Uitdagingen en risico’s
Een SBSP-missie zal een uitdaging zijn – en de risico’s moeten nog volledig worden ingeschat. Hoewel de geproduceerde elektriciteit volledig groen is, is de impact van de vervuiling door honderden zware lanceringen moeilijk te voorspellen.
Bovendien zijn er voor het besturen van zo’n grote structuur in de ruimte aanzienlijke hoeveelheden brandstof nodig, waarbij ingenieurs moeten werken met soms zeer giftige chemicaliën. De fotovoltaïsche zonnepanelen zullen worden aangetast door degradatie, waardoor de efficiëntie na verloop van tijd afneemt van 1% tot 10% per jaar. Onderhoud en bijtanken kunnen echter worden gebruikt om de levensduur van de satelliet bijna onbeperkt te verlengen.
Een bundel microgolven die krachtig genoeg is om de grond te bereiken zou ook alles kunnen beschadigen wat in de weg staat. Voor de veiligheid moet de vermogensdichtheid van de straal dus beperkt worden.
De uitdaging om dit soort platforms in de ruimte te bouwen lijkt misschien ontmoedigend, maar zonne-energie uit de ruimte is technologisch haalbaar. Om economisch levensvatbaar te zijn, vereist het grootschalige engineering en dus een langdurige en beslissende inzet van regeringen en ruimtevaartorganisaties.
Maar met dat alles op zijn plaats, zou SBSP een fundamentele bijdrage kunnen leveren aan het bereiken van net nul in 2050 met duurzame, schone energie uit de ruimte.
Matteo Ceriotti werkt niet voor, voert geen advies uit over, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
