Alþjóðlega geimstöðin er stærsta byggingarverkefni manna í geimnum til þessa. En samkvæmt evrópsku geimferðarstofnuninni, ESA, ber okkur að hugsa miklu stærra.
Vísindamenn við ESA vilja nefnilega seðja endalausan þorsta jarðarinnar eftir grænu rafmagni með því að koma risastóru sólarselluveri fyrir úti í geimnum. Búnaðurinn mun vera á sporbraut í 36.000 kílómetra hæð og sjá einni milljón evrópskra heimila fyrir orku.
Við fyrstu sýn virðist það vera algjört glapræði að byggja 15 km2 sólarsellugarð í geimnum en við búum þegar yfir tækninni sem til þarf samkvæmt greiningum og kosturinn við þessa hreinu orku verður svo mikill að hann vegur upp gríðarlegan kostnað við bygginguna.
Sólarorka úr geimnum mun verða mikilvægt skref í átt að kolefnishlutleysi og sjálfbærni Evrópu í komandi orkuskiptum.
Joseph Asbacher
forstjóri hjá ESA
Þar með er ekki sagt að Solaris, eins og verkefnið nefnist, sé eitthvað sem er bara hægt að hrista fram úr erminni. Verkfræðilegar áskoranir eru fjölmargar því hvernig er hægt að senda smíðisgrip á stærð við 2.000 fótboltavelli á braut um jörðu og hvernig er hægt að leiða rafmagnið aftur til jarðar?
Til að finna svar við þessu hefur ESA grafið upp 55 ára gamla hugmynd upp úr skrifborðsskúffunni.
Lofthjúpurinn hrindir sólarljósi frá
Hugmyndin um að flytja sólarsellur út í geim er nefnilega ekki ný af nálinni. Árið 1968 kom hinn bandarísk-tékkneski geimverkfræðingur Peter E. Glaser fram með hugmynd en hún gekk út á að nota gervihnetti til að safna sólarorku sem mætti síðan senda niður til jarðar.
Glaser uppgötvaði nefnilega að það eru margvíslegir kostir sem felast í því að flytja sólarorkuver frá jörðu þrátt fyrir að uppsetning og viðhald verði mun erfiðara.
Fyrst og fremst endurkastar lofthjúpur jarðar drjúgum hluta af sólarljósi aftur út í geim. Þriðjungur af ljósinu nær því aldrei niður til hefðbundinna sólarsella á yfirborðinu.
Jafnframt geta ryk og ský skapað fyrirbæri sem nefnist útbreiðsla (e. diffusion) sem dreifir sólarljósinu og sveigir það frá. Sólarljósið er því um tíu sinnum öflugra efst í lofthjúpnum heldur en nær yfirborði jarðar. Þess lengra frá yfirborðinu sem sólarsellurnar eru, því betur má nýta orkuna úr geislum sólar.
Síðast en ekki síst geta sólarsellur úti í geimnum unnið bug á einum helsta vanda sólarsella: Myrkrinu.
Sólarsellugarðurinn verður staðsettur 36.000 kílómetra yfir jörðu, þar sem er óhindraður aðgangur að geislum sólar nánast allan sólarhringinn.
Á svonefndum sístöðubrautum þar sem sólarsellugarðurinn fylgir sama punkti á yfirborði jarðar, munu geislar sólar lenda á sólarsellunum í 36.000 kílómetra hæð 99% tímans.
Þessari miklu orku þarf síðan að umbreyta í rafmagn og senda til jarðar. Það er hreint ekki vandkvæðalaust, þar sem ekki er hægt að flytja rafmagnið um hefðbundin dreifikerfi heldur þarf að gera það þráðlaust.
Peter E. Glaser hafði reyndar hugmynd um hvernig það gæti gengið fyrir sig. Hann hugðist nefnilega flytja rafmagnið með aðstoð rafsegulbylgja.
Rafmagni umbreytt í örbylgjur
Rafeindirnar sem myndast þegar sólarljós lendir á sólarsellum er ekki hægt að senda til jarðar í núverandi formi sínu. En ef þeim er t.d. breytt í örbylgjur er unnt að flytja orkuna yfir mörg þúsund kílómetra.
Prinsippið er hið sama og í örbylgjuofnum þar sem rafeindir eru leiddar í gegnum svokallaðan örbylgjuvaka (e. magnetron) og umbreytast í örbylgjur. Þessu næst eru þær leiddar út í loftnet og sendar til jarðar.
Sólarorka flutt þráðlaust til jarðar
Þessi risavaxni sólarsellugarður verður byggður hátt yfir lofthjúp jarðar. Þar munu sólarsellurnar umbreyta sólarorku í rafmagn sem er síðan breytt í örbylgjur.
1. Sólargeislar fangaðir allan sólarhringinn
Sólarsellugarðurinn verður staðsettur 36.000 kílómetra yfir jörðu, þar sem er óhindraður aðgangur að geislum sólar nánast allan sólarhringinn. Sporbrautin tryggir að sólarsellugarðurinn fylgi ævinlega sama punkti yfir jörðu. Þar verður byggð móttökustöð.
2. Sólskini umbreytt í örbylgju
Sólarsellurnar framleiða straum sem er leiddur í svokallaðan örbylgjuvaka sem er einnig að finna í örbylgjuofnum. Örbylgjuvakinn skapar segulsvið og þegar rafeindirnar frá sólarsellustraumum fara inn í það breytast þær í örbylgjur.
3. Sólarorka send til jarðar
Örbylgjur eru sendar í gegnum loftnet niður að móttökustöðinni á jörðu niðri. Örbylgjurnar eru orkulitlar sem felur í sér að þær eru ekki skaðlegar fyrir dýr eða menn sem kunna að fara inn á svið geislanna nærri móttökubúnaðinum.
4. Örbylgjum umbreytt í rafmagn
Á jörðinni er móttökustöð sem nær yfir 71 km2. Móttökustöðin samanstendur af svokölluðu afriðandi loftneti (e. rectenna) sem mun umbreyta örbylgjum í jafnstraum og því er rafmagninu dreift til notenda.
Sólarorka flutt þráðlaust til jarðar
Þessi risavaxni sólarsellugarður verður byggður hátt yfir lofthjúp jarðar. Þar munu sólarsellurnar umbreyta sólarorku í rafmagn sem er síðan breytt í örbylgjur.
1. Sólargeislar fangaðir allan sólarhringinn
Sólarsellugarðurinn verður staðsettur 36.000 kílómetra yfir jörðu, þar sem er óhindraður aðgangur að geislum sólar nánast allan sólarhringinn. Sporbrautin tryggir að sólarsellugarðurinn fylgi ævinlega sama punkti yfir jörðu. Þar verður byggð móttökustöð.
2. Sólskini umbreytt í örbylgju
Sólarsellurnar framleiða straum sem er leiddur í svokallaðan örbylgjuvaka sem er einnig að finna í örbylgjuofnum. Örbylgjuvakinn skapar segulsvið og þegar rafeindirnar frá sólarsellustraumum fara inn í það breytast þær í örbylgjur.
3. Sólarorka send til jarðar
Örbylgjur eru sendar í gegnum loftnet niður að móttökustöðinni á jörðu niðri. Örbylgjurnar eru orkulitlar sem felur í sér að þær eru ekki skaðlegar fyrir dýr eða menn sem kunna að fara inn á svið geislanna nærri móttökubúnaðinum.
4. Örbylgjum umbreytt í rafmagn
Á jörðinni er móttökustöð sem nær yfir 71 km2. Móttökustöðin samanstendur af svokölluðu afriðandi loftneti (e. rectenna) sem mun umbreyta örbylgjum í jafnstraum og því er rafmagninu dreift til notenda.
Kosturinn við örbylgjurnar er sá að með stuttri bylgjulengd þeirra sem nema einum metra til eins millimetra, má tryggja að þær nái nær óhindrað til yfirborðs jarðar, án þess að sameindir lofthjúpsins torveldi för þeirra.
Engum hefur þó enn tekist að senda örbylgjur yfir svo miklar vegalengdir en frá árinu 2020 hafa tilraunir verið gerðar með sólarsellur um borð í geimflaug sem umbreyta sólarorku í örbylgjur. Niðurstöður þeirra tilrauna verða opinberaðar á þessu ári.
Á jörðinni taka svokölluð afriðandi loftnet (e. rectenna) á móti örbylgjunum en þetta er sérstök gerð loftnets sem umbreytir rafsegulorkunni í örbylgjunum í jafnstraum. Slík móttökustöð myndi samkvæmt útreikningum ESA þurfa að ná yfir um 71 km2 svæði.
Annar möguleiki felst í að umbreyta rafmagni frá geimsólarsellum í leysiljósgeisla sem er þá beint að sólarsellugarði á jörðu. Þar gætu sólarsellur á hefðbundinn máta umbreytt ljósinu í rafstraum.
Frá árinu 2020 hefur um 30 fersentimetra stórt sólarþil umbreytt rafmagni í örbylgjur um borð í ómannaðri geimflaug. Sólarþilið er þróað af bandaríska rafmagnsverkfræðingnum Paul Jaffe.
Óháð því hvora aðferðina verkfræðingar velja er yfirfærslan á orku úr sólarsellunum í geimnum helsti veikleikinn, því þegar rafstraumi er umbreytt í örbylgjur og síðan aftur til baka glatast óhjákvæmilega nokkur orka.
Geimsólarsellur verða þess utan aðeins viðbót við aðrar grænar orkulindir, þar sem útreikningar sýna að það þyrfti 20 – 25 geimsólarsellugarða til að anna tíunda hluta af áætlaðri orkuþörf ESB árið 2050.
Sólarsellur eins og origami
Þrátt fyrir að allt þetta kunni að hljóma eins og helber vísindaskáldskapur undirstrikar ESA að þær tæknilegu lausnir á bak við sólarsellur í geimnum sem til þarf séu til staðar. Helsta áskorunin felst í að byggja búnaðinn í skala sem hefur aldrei sést áður.
Núna er helsta verkfræðiafrek í geimnum Alþjóðlega geimstöðin ISS sem að meðtöldum sólarþiljum sínum er á stærð við einn fótboltavöll – þ.e.a.s. um 7.100 m2. Til samanburðar þarf sólarsellugarður í geimnum að vera með flatarmál sem nemur meira en 15 km2 sem er meira en 2.000 sinnum meira flatarmál.
15 ferkílómetra mun kosmíski sólarsellugarðurinn fylla – það sama og 2.000 fótboltavellir.
Samkvæmt rannsóknum mun verkefnið taka 5 – 10 ár í þróun á meðan að þeir róbótar sem eiga að setja upp sólarsellugarðinn á sporbraut um jörðu eru ennþá 10 – 20 ár úti í framtíðinni.
Róbótunum verður annað hvort fjarstýrt frá jörðu eða þá að þeir eiga að geta upp á eigin spýtur sett saman bygginguna úr um tveimur milljónum íhluta og þar á meðal eru sólarselluþil, skynjarar, mótorar og örbylgjusendar.
Samkeppnisfært við kjarnorku
Til þess að auðvelda vinnuna við að flytja alla þessa íhluti út í geim hafa vísindamenn við CalTech í BNA unnið að þróun á nýjum örþunnum samanbrjótanlegum sólarþiljum.
Þessi háþróaða filma skilar 50 – 100 sinnum meiri afköstum á hvert kíló samanborið við hefðbundnar sólarsellur og er komið fyrir á þunnu og sterku efni. Þriðja lagið í þessari millimetra örþunnu smíð eru loftnet sem er komið fyrir á bakhliðinni.
Sólarsellur felldar saman
15 ferkílómetra sólarsellugarður tekur mikið pláss. Til þess að spara kostnað við geimskotin hafa vísindamenn við CalTech í BNA þróað örþunna rúllu úr koltrefjum sem er þakin sólarsellufilmu. Í miðju rúllunnar sér mótor um að spóla filmunni út í fulla stærð þegar apparatið er komið á sinn stað á sporbraut um jörðu og tilbúið að gleypa í sig geisla sólarinnar.
Í geimnum munu samanbrjótanlegar sólarsellur koma að góðum notum þar sem hægt verður að pakka þeim þétt saman og koma fyrir í geimflaug. Síðan breiða þær úr sér þegar þær eru komnar á braut um jörðu.
Vísindamenn við CalTech vinna með sólarselluver sem samanstendur af samanbrjótanlegum þiljum sem hvert er 60 sinnum 60 metrar.
Eins og með aðra orkutækni varðar mögulegur árangur eða klúður fyrir sólarselluorku úti í geimnum á endanum að snúast um hvað það kostar að framleiða kílówattstund til viðskiptavina.
Þrátt fyrir að dýrt sé að byggja sólarorkuver – kostnaðurinn er áætlaður allt að 13 milljónum evra bara í byggingarkostnað fyrir fyrsta orkuverið – mun kostnaðurinn lækka með tímanum.
Og þar sem orkuverin hafa beinan aðgang að sólarljósi allan sólarhringinn getur kílówattstundin smám saman keppt við bæði kjarnorku og sól- og vindorku á jörðu niðri.
Þar með er hin 55 ára gamla hugmynd Peters E. Glaser úr skrifborðsskúffunni furðu nærri því að verða að raunveruleika. Því miður getur hann sjálfur ekki notið afraksturs þessarar snjöllu hugmyndar sinnar, því Glaser lést árið 2014 – 90 ára gamall.
