Den internasjonale romstasjonen er vår hittil største ingeniørbragd i verdensrommet, men ifølge den europeiske romorganisasjonen ESA må vi tenke større. Mye større.
Forskerne i ESA vil nemlig slukke klodens umettelige tørst etter grønn strøm ved å plassere gigantiske solcelleanlegg i verdensrommet. Anleggene skal gå i bane 36 000 kilometer oppe og forsyne én million europeiske hjem.
Det høres kanskje ut som galskap å bygge en 15 km2 stor solcellepark i verdensrommet, men vi har allerede teknologien som skal til, akkurat som analyser viser at fordelen i form av ren energi vil være så stor at det veier opp for de økonomiske utfordringene.
«Rombasert solenergi ville være et viktig skritt på veien mot CO2-nøytralitet og energiuavhengighet for Europa.» Josef Aschbacher, generaldirektør i ESA
Men Solaris, som prosjektet er døpt, blir ikke lett å få realisert. De ingeniørmessige utfordringene står i kø, for hvordan skal en konstruksjon på størrelse med 2000 fotballbaner foldes ut i verdensrommet? Og hvordan skal strømmen sendes ned til bakken?
For å finne svaret har ESA gravd fram en 55 år gammel idé.
Atmosfæren avviser sollyset
Tanken om å plassere solceller i verdensrommet er nemlig ikke ny. I 1968 framsatte den amerikansk-tsjekkiske romingeniøren Peter E. Glaser et konsept som gikk ut på å bruke satellitter til å høste solenergi, som så skulle overføres ned til jorden.
Glaser oppdaget nemlig at det er flere opplagte fordeler med å flytte solcelleanlegg ut i verdensrommet, selv om det blir vanskelig å installere og vedlikeholde dem.
Først og fremst reflekterer jordens atmosfære en stor del av sollyset tilbake til verdensrommet. Om lag 30 prosent av lyset når derfor aldri ned til de tradisjonelle solcellene på bakken.
Samtidig kan dis og skyer skape et fenomen som kalles diffusjon, og som sprer og bøyer av det direkte sollyset. Sollyset er derfor om lag ti ganger så intenst øverst i atmosfæren som ved bakken. Jo høyere opp solcellene befinner seg, desto mer effektive er de.
Sist, men absolutt ikke minst, kan solceller i verdensrommet løse solcellenes største problem: mørke.
36 000 kilometer over bakken, der solen nesten alltid skinner, skal solcelleparken konstrueres.
I en såkalt geostasjonær bane, der solcelleparken følger det samme punktet på bakken, vil solcellene i 36 000 kilometers høyde bli truffet av solstråler 99 prosent av tiden.
Den store mengden energi må deretter gjøres om til elektrisitet og sendes til jorden. Det er ikke uten problemer, siden strømmen ikke kan transporteres via strømnettet, men i stedet må overføres trådløst.
Peter E. Glaser hadde faktisk et forslag til hvordan denne trådløse overføringen kan foregå. Han ville nemlig transportere strømmen ved hjelp av elektromagnetiske bølger.
Strøm gjøres om til mikrobølger
Elektronene som blir skapt når sollyset treffer solcellene, kan ikke sendes til jorden som de er. Men hvis de for eksempel gjøres om til mikrobølger, kan energien overføres over flere tusen kilometer.
Prinsippet er det samme som i en mikrobølgeovn, der elektronene ledes gjennom en såkalt magnetron og gjøres om til mikrobølger. De overføres deretter til en antenne og sendes mot jorden.
Solenergi overføres trådløst til jorden
Den gigantiske solcelleparken skal bygges høyt over atmosfæren. Her vil solcellene gjøre om solenergien til strøm, som deretter gjøres om til mikrobølger.
1. Solstråler fanges opp døgnet rundt
Solcelleparken skal plasseres 36 000 kilometer over bakken, der det er uhindret tilgang på solstråler døgnet rundt. Banen sørger for at solcelleparken alltid følger det samme punktet over jorden. Her plasseres mottakerstasjonen.
2. Solskinn gjøres om til mikrobølger
Solcellene produserer strøm som føres igjennom en såkalt magnetron, noe man også finner i mikrobølgeovner. Magnetronen skaper et magnetfelt, og når elektronene fra solcellestrømmen beveger seg, gjøres energien om til mikrobølger.
3. Solenergi sendes til jorden
Ved hjelp av en antenne overføres mikrobølgene ned mot mottageranlegget på bakken. Mikrobølgene sendes med en lav energi, noe som betyr at de ikke er skadelige for dyr eller mennesker som måtte bevege seg inn i strålefeltet.
4. Mikrobølger omdannes til strøm
På jorden ligger en mottakerstasjon som sprer seg over 71 km2. Mottakerstasjonen består av såkalte rektenner som gjør om mikrobølgene til elektrisk strøm, som så kan sendes ut til forbrukerne.
Fordelen med mikrobølgene er at de med sin bølgelengde på mellom en meter og en millimeter stort sett kommer seg uhindret ned til bakken, uten å bli bremset av molekylene i atmosfæren.
Til nå er det ingen som har klart å sende mikrobølger over så store avstander, men siden 2020 har et forsøk med solceller om bord på et romfly gjort om solenergi til mikrobølger. Resultatet av forsøket vil bli offentliggjort i løpet av 2023.
På bakken blir mikrobølgene tatt imot av såkalte rektenner, en spesiell type antenne som gjør om den elektromagnetiske energien i mikrobølgene til likestrøm. En slik mottakerstasjon vil ifølge beregninger lagd for ESA dekke et område på 71 km2.
En annen mulighet er å gjøre om strømmen fra romsolcellene til laserlys som rettes mot en solcellepark på jorden. Her vil laserlyset bli til elektrisk strøm på vanlig måte.
Siden 2020 har et 30 centimeter stort solcellepanel gjort om strøm til mikrobølger om bord på et ubemannet romfly. Panelet er utviklet av den amerikanske elektroingeniøren Paul Jaffe.
Uansett hvilken metode ingeniørene velger, er overføringen av energi de rombaserte solcellenes store svakhet, for når elektrisk strøm gjøres om til mikrobølger og tilbake igjen, vil det uunngåelig være et energitap.
Romsolcellene blir uansett bare et supplement til andre grønne energikilder siden beregninger viser at det vil kreve 20–25 rombaserte solcelleanlegg å dekke 10 prosent av EUs anslåtte strømbehov i 2050.
Solceller foldes som origami
Selv om hele konseptet kan høres sciencefictionaktig ut, understreker ESA at de teknologiske løsningene bak solceller i verdensrommet er på plass. Den største utfordringen blir derfor å bygge en konstruksjon i verdensrommet en slik størrelsesorden.
I dag er den største ingeniørbragden i verdensrommet Den internasjonale romstasjonen, som solcellepanelene medregnet er omtrent på størrelse med en fotballbane – altså om lag 7100 m2. Til sammenligning skal en solcellepark i verdensrommet ha et areal på over 15 km2, altså over 2000 ganger så stort.
15 kvadratkilometer skal den kosmiske solcelleparken dekke – det samme som 2000 fotballbaner.
Ifølge studier vil det ta 5–10 år å utvikle prosjektet, mens de robotene som skal installere solcelleparken i bane rundt jorden, fortsatt er 10–20 år inn i fremtiden.
Robotene må enten fjernstyres fra jorden eller på egen hånd sette sammen om lag to millioner komponenter som omfatter solcellepaneler, sensorer, motorer og mikrobølgesendere.
Kan konkurrere med kjernekraft
For å gjøre jobben med å frakte alle komponentene ut i verdensrommet lettere, har forskere hos Caltech i USA arbeidet med å utvikle en ny type ultratynne, foldbare solcellepaneler.
Den avanserte solcellefilmen leverer 50–100 ganger så mye effekt per kilo som tradisjonelle solceller og er montert på et tynt og sterkt komposittmateriale. Det tredje laget i den millimetertynne konstruksjonen er antennene, som er montert på baksiden.
Solceller skal foldes sammen
En solcellepark på 15 km2 vil ta stor plass. For å spare på rakettoppskytingene har forskere ved Caltech i USA utviklet en ultratynn rull av karbonfiber belagt med en solcellefilm. I midten av rullen sørger en motor for å spole filmen ut til full størrelse når konstruksjonen har inntatt sin plass i bane rundt jorden og er klar til å suge til seg solstrålene.
I verdensrommet vil foldbare solceller være nyttige siden de kan pakkes helt tett og lastes i en romrakett før de folder seg ut i bane rundt jorden. Caltech-forskerne forestiller seg solcelleanlegg som består av foldbare solcellepaneler på 60 ganger 60 meter satt sammen i en større konstruksjon.
Som med andre energiteknologier avgjøres spørsmålet om suksess eller fiasko for rombasert solcelleenergi til sjuende og sist av hva det koster å produsere en kilowattime til strømkundene.
Selv om det er dyrt å bygge solcelleanleggene – prisen anslås til opptil 13 milliarder euro bare i byggekostnader for det første anlegget – vil prisen falle etter hvert. Og fordi anleggene har direkte adgang til sollyset døgnet rundt, kan kilowatt-timeprisen etter hvert konkurrere med både kjernekraft, solenergi og vindenergi på bakken.
Dermed er Peter E. Glasers 55 år gamle idé snublende nær å bli realisert. Dessverre rakk ikke opphavsmannen selv å oppleve romstrøm i stikkontakten. Glaser døde i 2014 – 90 år gammel.
