211service.com
Straal het naar beneden
In de ruimte schijnt de zon altijd fel. Geen wolken blokkeren de zonnestralen, en er is geen nacht. Zonnecollectoren gemonteerd op een in een baan om de aarde draaiende satelliet zouden dus 24 uur per dag, 365 dagen per jaar stroom opwekken. Als deze kracht zou kunnen worden doorgegeven aan de aarde, dan zouden de energieproblemen van de wereld voor altijd opgelost kunnen zijn.
Zonne-energiesatellieten (SPS) werden oorspronkelijk voorgesteld als een oplossing voor de oliecrises van de jaren zeventig door de Tsjechisch-Amerikaanse ingenieur Peter Glaser, toen bij Arthur D. Little. Glaser stelde zich een reeks zonnecellen van 50 vierkante kilometer voor die werden ingezet op satellieten die 36.000 kilometer boven vaste punten langs de evenaar cirkelen. Een satelliet op die geosynchrone hoogte doet er 24 uur over om om de aarde te draaien en blijft dus de hele tijd op hetzelfde punt op aarde gefixeerd.
Het idee was elegant. Fotovoltaïsche cellen op een satelliet zouden zonlicht omzetten in elektrische stroom, die op zijn beurt een ingebouwde microgolfgenerator zou aandrijven. De microgolfbundel zou door de ruimte en de atmosfeer reizen. Op de grond zou een reeks gelijkrichtende antennes, of rectenna's, deze microgolven opvangen en elektrisch vermogen onttrekken, hetzij voor lokaal gebruik, hetzij voor distributie via conventionele elektriciteitsnetten.
De technologie, zoals oorspronkelijk voorzien, vormde ontmoedigende technische hindernissen. Om efficiënt elektrisch vermogen van een satelliet in een geosynchrone baan om de aarde over te brengen, zou een zendantenne aan boord van de satelliet met een diameter van ongeveer een kilometer nodig zijn en een ontvangstantenne op de grond met een diameter van ongeveer 10 kilometer. Een project van deze omvang verbijstert de geest; overheidsfinanciers schuwden het om enorme bedragen te investeren in een project waarvan de levensvatbaarheid zo onduidelijk was. NASA en het Department of Energy, dat voorlopige ontwerpstudies had gesponsord, verloren eind jaren zeventig hun interesse.
In de afgelopen jaren heeft de communicatie-industrie echter satellietprojecten aangekondigd die erop wijzen dat het tijd is om het idee van zonne-energiesatelliet opnieuw te bekijken. Tegen het begin van de volgende eeuw zullen zwermen communicatiesatellieten op lage hoogte rond de aarde cirkelen en spraak, video en gegevens doorgeven aan de meest afgelegen plekken op aarde. Deze satellieten zullen communicatiesignalen naar de aarde doorsturen op bundels van microgolven. De transmissie van elektrisch vermogen met een microgolfbundel werd al in 1963 gedemonstreerd, en het projecteren van vermogen en gegevens langs dezelfde microgolfbundel behoort tot de stand van de techniek. Waarom niet dezelfde straal gebruiken om elektrische stroom te vervoeren?
De nieuwe communicatiesatellieten zullen in een baan om de aarde draaien op een hoogte van slechts een paar honderd mijl. In plaats van boven een plek op de evenaar te zweven, zoeven satellieten in een lage baan om de aarde in slechts 90 minuten, waarbij ze paden volgen die rond de evenaar oscilleren en maar liefst 86 graden breedtegraad stijgen en dalen. Omdat ze zich dichter bij het aardoppervlak bevinden, kunnen de zonnecollectoren op de satelliet een diameter van een paar honderd meter hebben in plaats van 10 kilometer. En omdat de microgolfstralen die ze genereren zich veel minder zouden verspreiden dan die van geosynchrone satellieten, zouden de grondrectennes dienovereenkomstig kleiner en goedkoper kunnen zijn. Door mee te liften op deze vloten van communicatiesatellieten - en gebruik te maken van hun microgolfzenders en -ontvangers, grondstations en controlesystemen, kan zonne-energietechnologie economisch levensvatbaar worden.
Een lage baan om de aarde brengt echter zijn eigen problemen met zich mee. Omdat ze zo snel rond de planeet zwiepen, moeten satellieten in een lage baan over geavanceerde computergestuurde systemen beschikken om het doel van de microgolfbundel zo aan te passen dat deze op het ontvangststation landt. Deze satellieten zullen geavanceerde elektronische systemen, phased arrays genaamd, moeten gebruiken om de uitgaande bundel voortdurend opnieuw te richten.
Energie voor ontwikkeling
De vraag naar ruimtegebaseerde zonne-energie kan buitengewoon zijn. Volgens sommige schattingen zullen tegen 2050 10 miljard mensen op aarde wonen, waarvan meer dan 85 procent in ontwikkelingslanden. De grote vraag: hoe kunnen we het beste voorzien in de groeiende energiebehoefte van de mensheid met de minste negatieve impact op het milieu?
Op zoek naar een goedkope lancering
Een belangrijke overweging bij het plannen van ruimtevermogen zijn de kosten om een satelliet in een baan om de aarde te brengen. Op dit moment kost het duizend keer meer om een object de ruimte in te sturen dan om het met een commercieel vliegtuig door het land te vliegen, ook al vergen de twee banen ongeveer dezelfde hoeveelheid energie: ongeveer 10 kilowattuur per kilogram nuttige lading. Twee factoren zijn verantwoordelijk voor de extra kosten: het leger van ingenieurs en wetenschappers dat nodig is voor een succesvolle ruimtelancering, en de praktijk om een groot deel van het lanceervoertuig na elke vlucht weg te gooien.
De lanceringskosten zullen echter waarschijnlijk dalen naarmate de vraag toeneemt om regelmatig grote hoeveelheden materiaal de ruimte in te hijsen: hoe vaker een lanceersysteem wordt gebruikt, hoe lager de kosten per gebruik. Bovendien is NASA op zoek naar een nieuwe generatie herbruikbare draagraketten. Het bureau heeft onlangs een wedstrijd gesponsord tussen lucht- en ruimtevaartaannemers voor een ruimtevoertuig met het potentieel voor luchtvaart-achtige operatie. De winnaar was Lockheed Martin Skunk Works, legendarische vernieuwers in vliegtuigontwerp van de U-2 tot de Stealth-jager. Lockheed Martin is van plan de $ 1 miljard wigvormige herbruikbare X-33 te bouwen en te testen - een halfgrote, een achtste massaversie van een lanceervoertuig genaamd Venture Star dat de spaceshuttle zou vervangen om vracht in een lage baan om de aarde te brengen. De beoogde lanceringskosten zijn $ 2.200 per kilogram, een tiende van de lancering van een shuttle. Tegen die prijs zou ruimte-energie kosteneffectief kunnen worden als satellieten dubbel dienst doen als communicatierelais en zonne-energiebronnen.
Een zonne-energiesatelliet moet snel de energie terugbetalen die nodig is om hem in een baan om de aarde te brengen. Begin met de conservatieve veronderstelling dat satelliettechnologie op zonne-energie 0,1 kilowatt elektriciteit op de grond zou produceren per kilogram massa in een baan om de aarde. In dat geval zou het energieverbruik van 10 kilowattuur per kilogram om de satelliet in een baan om de aarde te brengen, na slechts 100 uur - minder dan vijf dagen - worden terugbetaald in elektriciteit.
Een manier om de lanceringskosten laag te houden, is door een opblaasbare structuur als zonnecollector te gebruiken. Dit zou het oppervlak van de collector maximaliseren - belangrijk voor het verzamelen van de grootste hoeveelheid zonne-energie - zonder het lanceervoertuig zwaar te belasten. Leeggelopen zonnecollectoren kunnen worden opgevouwen tot een compacte ruimte aan boord van het ruimtevaartuig; eenmaal in een baan om de aarde zou gas uit een container onder druk de structuur opblazen.
Ballonnen in de ruimte zijn een oud verhaal. In feite was de vintage-satelliet uit 1960, bekend als Echo I, een ballon die werd gebruikt om radiogolven terug naar de aarde te kaatsen. NASA bestudeert nu de haalbaarheid van opblaasbare structuren in de ruimte voor antennes, parasols en zonnepanelen, hoewel niet expliciet voor satellietsystemen op zonne-energie. Een belangrijke experimentele mijlpaal was de succesvolle inzet door Space Shuttle Endeavour-astronauten in mei 1996 van het Spartan Inflatable Antenna Experiment - een 14 meter lange antenne die wordt opgeblazen door een stikstofgasbus in een baan om de aarde.
Het is niet zo'n grote stap van zo'n experiment naar een zonne-verzamelende satelliet die in een baan om de aarde zou kunnen worden samengesteld uit opgeblazen segmenten. Als NASA van onderzoek naar opblaasbare ruimtestructuren een hoge prioriteit zou maken, zou de kennisbasis om kosteneffectieve satellieten met een lage massa te maken snel kunnen evolueren.
Eén stap tegelijk
In het begin zou de zonne-energie die vanuit de ruimte wordt doorgegeven alleen worden gebruikt om het minimale elektrische vermogen te leveren dat nodig is om de elektronica van het ontvangende station op de grond te laten werken, net zoals lijnstroom conventionele telefoons van stroom voorziet. Uiteindelijk zouden de satellieten grotere hoeveelheden stroom naar beneden stralen, wat de megawatt aan elektriciteit zou kunnen leveren die substantieel zou bijdragen aan de stroomvoorziening van een dorp of zelfs een stad.
Opschalen naar hogere vermogensniveaus zou eenvoudig zijn, wat simpelweg inhoudt dat er een grotere hoeveelheid zonnecollectorgebied in de ruimte moet worden ingezet. Stroom zou worden overgedragen via de infrastructuur van zenders en ontvangers die dan aanwezig zullen zijn voor de satellietcommunicatiesystemen. In dit opzicht heeft microgolftransmissie een duidelijk voordeel ten opzichte van conventionele kabelmethoden voor het verzenden van vermogen. Een magnetronsysteem dat 80 procent efficiënt is in het verzenden van 1 kilowatt, zal nog steeds 80 procent efficiënt zijn in het verzenden van 1 megawatt. Dit is fundamenteel anders dan een transmissielijn van een elektriciteitsbedrijf, waar je dikkere en duurdere draden nodig hebt om meer vermogen te vervoeren. Als er te veel stroom door een kabel wordt gevoerd, zal de isolatie smelten.
Sommigen zijn bang dat een netwerk van satellieten op zonne-energie de atmosfeer in één grote magnetron kan veranderen en alles kan koken wat op het pad van de straal afdwaalt. In werkelijkheid zouden de microgolfintensiteiten die we voorstellen ordes van grootte onder de drempel liggen waarop objecten beginnen op te warmen. Mensen zouden worden blootgesteld aan microgolfniveaus die vergelijkbaar zijn met die van magnetrons en mobiele telefoons. Hoewel sommige critici speculeren dat microgolven een niet-thermische bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid, is er geen betrouwbaar epidemiologisch bewijs voor nadelige effecten van microgolven bij deze lage niveaus. Hogere niveaus van microgolfstraling zouden te vinden zijn op de rectenna's waarop de bundels zijn gericht, maar hekken en waarschuwingsborden zouden deze gebieden met mogelijk gevaar kunnen afbakenen. Maar volgens onze berekeningen zouden de microgolfintensiteiten, zelfs aan de rand van de rectenna, binnen het bereik vallen dat nu door de Occupational Safety and Health Administration als veilig wordt beschouwd.
Een groter potentieel probleem is het delen van de beperkte frequenties in het microgolfspectrum. Motorola is bijvoorbeeld onder vuur komen te liggen omdat het geplande systeem frequenties zal gebruiken in het bereik van 1,616 tot 1,626 gigahertz, wat bijna de 1,612 gigahertz-frequentie overlapt waarop astrofysici afstemmen bij het verzamelen van gegevens over de kosmos. Radioastronomen maken zich zorgen dat interferentie van een satelliet op zonne-energie de relatief zwakke signalen die ze willen detecteren, zal overweldigen. Motorola belooft de verspreiding van zijn communicatiestralen naar de frequentieniche van radioastronomen te beperken, maar het probleem onderstreept het feit dat het microgolfspectrum een beperkte hulpbron is die angstvallig wordt bewaakt door zowel commerciële als non-profitgebruikers. De toewijzing van het spectrum moet snel en effectief worden aangepakt om te voorkomen dat ruimtevaarttechnologie wordt bevoordeeld voordat deze is geboren.
Of zonne-energiesatellieten werkelijkheid worden, zal uiteindelijk afhangen van de bereidheid van telecommunicatie- en elektriciteitsbedrijven om de ruimtevaartindustrie te betreden. Tot nu toe heeft geen van beide bedrijfstakken veel belangstelling getoond. Maar dan zijn ze meestal niet op de hoogte van de commerciële mogelijkheden. Men moet weten dat er een optie bestaat om ervoor te kiezen. Dertig jaar geleden waren communicatiesatellieten een noviteit. Tien jaar geleden had nog niemand van internet gehoord.
Wat zeker is, is dat de huidige drang naar deregulering heeft geleid tot een wedloop van de kant van de telecommunicatie-, computer-, kabeltelevisie- en nutsbedrijven om elkaars markten te betreden. Sommige elektriciteitsbedrijven willen de telecommunicatiesector betreden om te profiteren van de enorme investeringen in draad en kabel die vrijwel elk gebouw in het land bereiken. Het is net zo logisch om voor te stellen dat communicatiebedrijven de energiesector betreden. In de praktijk zouden consortia van energie- en communicatiebedrijven de voorgestelde technologie samen kunnen ontwikkelen.
Geen enkel onderdeel van deze technologie vormt een fundamenteel struikelblok. De fysica van fotovoltaïsche cellen en microgolfopwekking is goed begrepen. Om naar de volgende fase te gaan, is echter een demonstratie nodig dat alle onderdelen van dit systeem kunnen samenwerken: de zonnepanelen, de phased-array microgolfantennes, de ontvangststations die de datasignalen scheiden van de stroombundels, en de computers die de satellieten vertellen waar op de grond de stralen moeten worden gericht. NASA zou deze ontwikkeling enorm kunnen versnellen door een prototype van een zonne-energiesatelliet in een baan om de aarde te brengen.
De voordelen zijn te groot om weg te lopen. Een netwerk van zonne-energiesatellieten, zoals wij voorstellen, zou de aarde kunnen voorzien van 10 tot 30 biljoen watt aan elektrisch vermogen, genoeg om de komende eeuw in de behoeften van de mensheid te voorzien. Zonne-energiesatellieten bieden zo een visie waarin de energieproductie van het aardoppervlak verdwijnt, waardoor iedereen op een groenere planeet kan leven. Overweeg de filosofische implicaties: de mensheid hoeft zichzelf niet langer gevangen te zien op de aarde van het ruimteschip met beperkte middelen. We zouden de grenzeloze bronnen van de ruimte kunnen aanboren, met de planeet behouden als een onschatbare bron van biodiversiteit.