Het internationale ruimtestation ISS is tot nu toe ons grootste technologische project in de ruimte, maar volgens het Europees Ruimteagentschap moeten we groter denken ... veel groter.
ESA-wetenschappers willen namelijk een gigantisch zonnepark in de ruimte bouwen om te voldoen aan de enorme vraag naar groene stroom. Het park moet op 36.000 kilometer hoogte in een baan om de aarde draaien en één miljoen huishoudens van elektriciteit voorzien.
Een 15 km2 groot zonnepark in de ruimte lijkt misschien een krankzinnig idee, maar de technologie bestaat al. En uit analyses blijkt dat de voordelen ruimschoots opwegen tegen de financiële kosten.
‘Zonne-energie uit de ruimte is een grote stap op weg naar CO2-neutraliteit en de energieonafhankelijkheid van Europa.’ Josef Aschbacher, directeur-generaal van ESA
Dat betekent echter niet dat Solaris, zoals het project officieel wordt genoemd, kinderspel is. De technische uitdagingen zijn eindeloos: hoe moet een constructie ter grootte van 2000 voetbalvelden in de ruimte worden uitgeklapt? En hoe komt de stroom naar de aarde toe?
Om dit op te lossen, heeft ESA een 55 jaar oud idee afgestoft.
De atmosfeer stoot zonlicht af
Het idee van zonnepanelen in de ruimte is namelijk niet nieuw. In 1968 kwam de Tsjechisch-Amerikaanse ruimtevaartingenieur Peter E. Glaser met het idee om satellieten te gebruiken om zonne-energie op te wekken en naar de aarde te sturen.
Glaser had namelijk ontdekt dat zonnepanelen in de ruimte een aantal belangrijke voordelen hebben, ondanks alle problemen met installatie en onderhoud.
Om te beginnen reflecteert de atmosfeer een groot deel van het zonlicht terug de ruimte in. Ongeveer 30 procent van het zonlicht bereikt het aardoppervlak nooit.
Tegelijkertijd kunnen mist en wolken ‘diffusie’ veroorzaken, waardoor zonlicht wordt verspreid en afgebogen. Het zonlicht buiten de atmosfeer is daarom tien keer sterker dan hier op aarde. Hoe hoger de zonnepanelen zich boven het aardoppervlak bevinden, hoe effectiever ze de energie van de zon kunnen opvangen.
En ten slotte, zonnepanelen in de ruimte hebben ook geen last van het grootste probleem waar zonnepanelen op aarde mee te maken hebben: duisternis.
Het zonnepark moet op 36.000 kilometer hoogte in de ruimte komen, waar de zon altijd schijnt.
In een zogenoemde geostationaire baan, waarbij het zonnepark altijd boven een vast punt boven het aardoppervlak zweeft, vangen de zonnepanelen op 36.000 kilometer hoogte 99 procent van de tijd zonlicht op.
Deze enorme hoeveelheid energie wordt vervolgens omgezet in elektriciteit en naar de aarde gestuurd. Dat is niet zo eenvoudig, omdat er natuurlijk geen elektriciteitskabels lopen en de stroom draadloos moet worden verstuurd.
Maar ook daar had Peter E. Glaser een oplossing voor bedacht. Hij wilde de stroom transporteren via elektromagnetische golven.
Stroom wordt omgezet in microgolven
De elektronen die in de zonnepanelen worden opgewekt, kunnen niet zomaar naar de aarde worden gestuurd. Maar als ze worden omgezet in microgolven, kan de energie over duizenden kilometers worden getransporteerd.
Het principe is hetzelfde als in een magnetron, waar elektronen worden omgezet in microgolven. Daarna gaan ze naar een antenne en worden ze naar de aarde gestuurd.
Zonne-energie wordt draadloos naar aarde gestuurd
Het zonnepark moet buiten de atmosfeer worden gebouwd. Hier zetten de zonnepanelen het zonlicht om in elektriciteit, die weer wordt omgezet in microgolven.
1. De hele dag energie opwekken
Het zonnepark moet 36.000 kilometer boven de aarde gaan zweven, waar het 24 uur per dag zonnestralen kan opvangen. En er wordt voor gezorgd dat het zonnepark altijd boven hetzelfde punt op aarde zweeft. Hier staat dan de energieontvanger.
2. Zonlicht omgezet in microgolven
De zonnepanelen produceren stroom die door een zogenoemde magnetron wordt geleid – net als thuis in de keuken. De magnetron creëert een magnetisch veld, en wanneer de elektronen daarin terechtkomen, worden ze omgezet in microgolven.
3. Zonne-energie naar de aarde gestuurd
Met behulp van een antenne worden de microgolven naar een ontvanger op aarde gestuurd. De microgolven worden met een lage energie verstuurd, wat betekent dat ze niet schadelijk zijn voor mensen of dieren in het stralingsveld.
4. Microgolven omgezet in elektriciteit
Op aarde bevindt zich een ontvanger met een oppervlakte van 71 km2. Deze ontvanger bestaat uit zogenoemde rectennes, die de microgolven omzetten in elektrische stroom die via het elektriciteitsnet naar de consumenten gaat.
Het voordeel van microgolven is dat ze met hun korte golflengte van één meter tot één millimeter ongehinderd de aarde kunnen bereiken, dus zonder dat ze worden tegengehouden door moleculen in de aardatmosfeer.
Er zijn nog nooit microgolven over zo’n grote afstand verstuurd, maar sinds 2020 zet een experiment met zonnepanelen aan boord van een ruimtevaartuig zonne-energie om in microgolven. De resultaten worden in 2023 gepubliceerd.
Op aarde worden de microgolven opgevangen door zogenoemde rectennes. Dat zijn antennes die de elektromagnetische energie in de microgolven omzetten in gelijkstroom. Zo’n ontvanger zou volgens berekeningen een oppervlakte hebben van 71 km2.
De stroom van de ruimtezonnepanelen kan ook worden omgezet in laserlicht, dat direct op een zonnepark op aarde wordt gericht. Vervolgens kunnen de zonnepanelen het laserlicht omzetten in elektrische stroom.
Sinds 2020 zet een 30 centimeter groot zonnepaneel vanuit de ruimte stroom om in microgolven. Het paneel is ontwikkeld door de Amerikaanse elektrotechnicus Paul Jaffe
Welke methode de ingenieurs ook kiezen, het grootste probleem is om de energie te transporteren, want als elektrische stroom wordt omgezet in microgolven en vice versa, gaat er onvermijdelijk energie verloren.
Daarnaast zullen zonnepanelen in de ruimte alleen een aanvulling zijn op groene-energiebronnen, want uit berekeningen blijkt dat er 20-25 van dit soort parken nodig zijn om 10 procent van de Europese energiebehoefte in 2050 te dekken.
Zonnepanelen opgevouwen als origami
Het hele idee van zonnepanelen in de ruimte lijkt misschien sciencefiction, maar ESA benadrukt dat de technologie al bestaat. De grootste uitdaging is dan ook om een constructie van deze afmetingen te bouwen in de ruimte.
De grootste technologische prestatie in de ruimte is op dit moment het internationale ruimtestation ISS, met zonnepanelen ter grootte van een voetbalveld – ongeveer 7100 m2. Ter vergelijking, een zonnepark in de ruimte moet een oppervlakte hebben van 15 km2, dus 2000 keer zo groot.
Het ruimtezonnepark moet 15 vierkante kilometer groot worden – zo groot als 2000 voetbalvelden.
Volgens studies duurt de ontwikkeling van het project nog zo'n 5-10 jaar, terwijl de robots die het zonnepark in een baan om de aarde moeten installeren nog 10-20 jaar op zich laten wachten.
De robots kunnen op afstand worden bestuurd of automatisch de ruim twee miljoen onderdelen, zoals zonnepanelen, sensoren, motoren, microgolfzenders enz., in elkaar zetten.
Zonnepark maakt kerncentrales overbodig
Om alle onderdelen gemakkelijker de ruimte in te krijgen, bouwen onderzoekers van Caltech in de VS een nieuw soort ultradunne, opvouwbare zonnepanelen.
Deze geavanceerde zonnefolie levert 50-100 keer meer vermogen per kilo, vergeleken met traditionele zonnepanelen en zit op een dun en sterk composietmateriaal. De derde laag van de millimeterdunne constructie zijn de antennes, die direct op de achterkant zitten.
Zonnepanelen worden opgevouwen
Een zonnepark van 15 km2 neemt veel ruimte in. Om ruimte in de raket te besparen, hebben wetenschappers van Caltech een ultradunne rol koolstofvezel ontwikkeld die bedekt is met een laag zonnecellen. In het midden van de rol zit een motor die de folie volledig uitrolt, zodra de constructie in een baan rond de aarde beweegt en klaar is om zonlicht op te vangen.
In de ruimte zijn opvouwbare zonnepanelen erg handig, omdat ze heel compact kunnen worden ingepakt en met een raket in een baan rond de aarde kunnen worden gebracht. De Amerikaanse wetenschappers van Caltech gaan uit van opvouwbare zonnepanelen van 60 bij 60 meter die samen worden gevoegd tot een grotere constructie.
Net als bij andere energietechnologieën wordt het succes van zonne-energie uit de ruimte uiteindelijk bepaald door de productiekosten van één kilowattuur aan stroom.
Hoewel zonne-installaties kostbaar zijn – de eerste installatie zou naar schatting 13 miljard euro gaan kosten – zal de prijs gaan dalen. En omdat de installaties 24 uur per dag toegang hebben tot zonlicht, kan de kilowattuurprijs uiteindelijk gaan concurreren met kernenergie en zonne- en windenergie op aarde.
En zo wordt het 55 jaar oude idee van Peter E. Glaser misschien werkelijkheid. Helaas kan de bedenker het zelf niet meemaken als we nog ooit ruimtestroom uit het stopcontact krijgen. Glaser stierf in 2014 – 90 jaar oud.
