Denk na over wat je weet over schone energiebronnen. Wat is het groenst?
Hydro-elektrisch, geothermisch, wind en zonne-energie komen waarschijnlijk allemaal in me op. Hoe milieuvriendelijk ze ook zijn, ze hebben allemaal aanzienlijke grenzen aan de hoeveelheid energie die ze kunnen produceren en waar ze kunnen worden gebruikt. Te weten, ondanks enkele echt koele ontwikkelingen in zonne-energie, kunnen zonnepanelen nog steeds alleen energie genereren terwijl de zon schijnt.
De oplossing ligt dus voor de hand. Ga waar de zon nooit ondergaat: in de ruimte.
Dat is de visie van wetenschappers, onderzoekers en ondernemers, zowel hier in de Verenigde Staten als in Japan, China en Europa. Hoewel het concept al sinds de jaren zeventig rondslingerd is, is het herhaaldelijk herzien en verlaten omdat alle delen daarboven brengen, en de mensen om het allemaal samen te stellen, onmogelijk duur was. Alleen met de komst van superkleine, in massa geproduceerde satellieten en herbruikbare boosterraketten beginnen sommigen veel moeilijker te kijken naar het realiseren van ruimte-zonne-energie.
Er zijn tientallen en tientallen ideeën voor het bouwen van een ruimtegebaseerd zonnecollectiesysteem, maar de basisgeest gaat als volgt: lancering en robotica assembleren van honderden of duizenden identieke modules in geosynchrone baan. Een deel bestaat uit spiegels om zonlicht te reflecteren en te concentreren op zonnepanelen die de energie omzetten in elektriciteit. Converters zetten die elektriciteit om in microgolven met een lage intensiteit die worden uitgestraald naar grote, ronde ontvangers op de grond. Die antennes zetten de magnetrons weer om in elektriciteit, die in het bestaande net kan worden ingevoerd.
John Mankins, die 25 jaar bij NASA en het Jet Propulsion Laboratory van Caltech verbleef, ontving in 2011 financiering van het Institute of Advanced Concepts van NASA om zijn concept voor ruimte-zonne-energiecentrales verder te verfijnen. De technologie en engineering die nodig is om van ruimte-zonne-realiteit een realiteit te maken, bestaat al, houdt hij vol, maar zoals bij elk duur nieuw idee, komt het neer op greenbacks en gumption.
"Het is niet zoals fusie - er is geen nieuwe fysica bij betrokken, " zegt Mankins, verwijzend naar ITER, de samenwerking tussen 35 landen om een fusiereactor in Frankrijk te bouwen. “Er is geen geheime saus. Het is een financiële hindernis om financiering te krijgen om de elementen te ontwikkelen en de nieuwe architectuur te demonstreren die daarvoor nodig is. ”
Mankins en anderen schatten de totale kosten voor het ontwikkelen, bouwen, lanceren en assembleren van alle componenten van een ruimtegebaseerde zonne-energiecentrale in de orde van $ 4 tot $ 5 miljard - een fractie van het prijskaartje van $ 28 miljard op de Three Gorges Dam in China. Mankins schat dat een werkend schaalmodel met full-sized componenten zou kunnen worden verkregen voor $ 100 miljoen. Ter vergelijking: het kostte de onlangs voltooide Watts Bar-kerncentrale van Tennessee Valley Authority 43 jaar om te bouwen, van start tot stotteren, en kostte alles $ 4, 7 miljard.
Belangrijk is dat wat consumenten zouden betalen - de prijs per kilowattuur - in dezelfde marge moet zijn als conventionele energiebronnen die worden geproduceerd met steenkool, aardgas en kernenergie, die in prijs variëren van 3 tot 12 cent per kilowattuur. Waterkracht kan ontzettend goedkoop zijn, met minder dan één cent per kilowattuur - maar alleen als je het geluk hebt om te leven in een regio met overvloedige rivieren met een hoge stroming, zoals in delen van Canada en Wisconsin. Geothermisch is ook zeer zuinig, met 3 cent per kilowattuur, maar je moet de IJslanders vragen hoe ze hun energierekening willen. En voorstanders van de wind hebben vorig jaar het nieuws verkondigd dat de kosten voor die hernieuwbare bron tot 2, 5 cent per kilowattuur waren gedaald.
De kosten verlagen naar de lage dubbele cijfers of zelfs enkele cijfers van cent per kilowattuur is absoluut essentieel om van zonne-energie een concurrerend nut te maken, zegt Gary Spirnak, CEO van het Californische energiebedrijf Solaren.
Het bedrijf van Spirnak is goedgekeurd als leverancier van zonne-energie in Californië en heeft in het verleden leveringsregelingen met Pacific Gas en Electric gehad, maar het bedrijfsmodel is volledig gebaseerd op het genereren van energie uit in de ruimte geoogste zonne-energie. Solaren onderhandelt momenteel over nieuwe overeenkomsten met een of meer hulpprogramma's. Het bedrijf heeft hier patenten in de VS voor het ontwerp ervan, evenals in Europa, Rusland, China, Japan en Canada, en heeft ergens in het volgende jaar een eerste financieringsronde voor een demonstratie op laboratoriumbasis van zijn componenttechnologieën binnengehaald. Spirnak hoopt investeerders te overtuigen om tegen het einde van de ontwikkelings- en testfase, misschien binnen vijf jaar, een proefinstallatie van 250 megawatt te ondersteunen.
Twee keystone-structuren zijn nodig om de ruimte te laten werken met zonne-energie. Ten eerste, solid-state stroomversterkers die elektriciteit uit verzameld zonlicht efficiënt omzetten in radiofrequentiegolven en ontvangers op de grond die de RF-golven weer omzetten in elektriciteit.
Paul Jaffe houdt de record-gepatenteerde, gepatenteerde ruimte-zonneconversiemodule van het Naval Research Laboratory voor een thermische vacuümtestkamer. (Paul Jaffe) 
Space Solar-prototype: deze conversiemodule van zonlicht naar magnetron voor ruimte-zonne-energie was de eerste die in ruimteachtige omstandigheden werd getest. Ruimterobotica zou worden gebruikt om duizenden te verzamelen om de zender van een ruimtesatellietsatelliet te maken. (Paul Jaffe) 
De prototypes van NRL's ruimteconversiemodule werden getest in deze thermische vacuüm en gesimuleerde testfaciliteit voor zonneverlichting. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, ingenieur bij het Naval Research Laboratory in Washington, DC, werkte aan twee prototypes van de verzamelmodule, die hij een 'sandwich' noemt, aangezien de zonnecollector, de stroomomvormer en de RF-zender allemaal tegen elkaar worden geslagen -vierkant tegel twee centimeter dik. Het gewicht van elke afzonderlijke module bepaalt uiteindelijk de prijs van de verdeelde elektriciteit op de grond; in termen van watt per gelanceerde kilo, zegt Jaffe dat het basistegelontwerp ongeveer 6 watt per kilogram bedroeg.
Rekening houdend met dat uitgangsvermogen, de levensduur van een zonne-energiecentrale van 20 jaar, de opstartkosten van $ 2500 per kilo en verschillende kostenniveaus van de componenten zelf, berekent Jaffe dat als de massa afnam en het wattage steeg tot 500 watt per kilo, dat komt overeen met 3 cent per kilowattuur.
"Door zelfs heel eenvoudige dingen te doen om de massa te verminderen, komen we in het bereik van 100 watt per kilogram, en 1.000 watt per kilogram is niet gek", zegt hij. "U krijgt zeer goede efficiëntie met de huidige zonnetechnologie die al in de handel verkrijgbaar is, en we dragen deze zeer efficiënte, lichtgewicht RF-converters elke dag in onze zakken."
RF-converters zijn precies de reden dat mobiele telefoons werken: telefoons zijn in feite verheerlijkte walkietalkies waarvan de signalen worden geholpen door een netwerk van signaalrelaisstations. De converters in de telefoon vertalen radiogolven in gegevens die we begrijpen - audio - en vice versa. Deze technologie staat centraal in onderzoek naar ruimte-zonne-energie bij Caltech, in een samenwerking tussen wetenschappers en ingenieurs daar en Northrop Grumman.
Spirnak zegt dat de belangrijkste drijfveer van het werk van Solaren in de afgelopen maanden precies dat was - het verminderen van het gewicht van hun modules. Hoewel herbruikbare raketten de totale productiekosten nog verder zouden verlagen, houdt Spirnak zijn adem niet in op de korte termijn; hij denkt erover conventionele conventionele heftrucks te gebruiken om de componenten van Solaren de ruimte in te krijgen.
"We brachten veel tijd door met meedogenloos gewicht uit het systeem te halen, " zegt Spirnak. "We kunnen afzonderlijke grote elementen in afzonderlijke lanceerinrichtingen verpakken, met enkele interessante prestaties van origami, " hoewel voor het leveren van het hele systeem in de ruimte nog steeds meerdere superzware lanceerinrichtingen nodig zijn.
Jaffe zegt dat de meest voorkomende vraag die hij krijgt bij het praten over ruimte-zonne-energie niet is of het kan of moet worden gedaan, maar hoe gevaarlijk die energiestraal vanuit de ruimte is. Zullen het geen vogels en vliegtuigen in de lucht flitsen als ze door de straal passeren?
"Als je 15 minuten buiten op een zonnige middag zit, raak je niet verbrand", legt hij uit. “Onze radio's, tv's en mobiele telefoons bereiden ons niet voor, en die hebben allemaal dezelfde frequentie als wat wordt voorgesteld. Er zijn al veiligheidslimieten [op microgolftransmissies] ingesteld door IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers], dus u ontwerpt een systeem om ervoor te zorgen dat de stroom over een groot gebied wordt verdeeld. Het zal niet per ongeluk een doodstraal worden. "
Voor de beste kosten-gewichtsverhoudingen, schaalefficiëntie en vergelijkbare elektrische opwekkingscapaciteit van een gemiddelde kerncentrale (1 tot 2 gigawatt), zou elke zonnecollectiearray in de ruimte een diameter van ongeveer een kilometer moeten hebben.
Ontvangers op de grond zouden dienovereenkomstig groot moeten zijn - wil een ruimtegebaseerde zonne-installatie ongeveer één gigawatt energie genereren, dan zou een zonnecollector van één kilometer (0, 62 mijl) energie stralen naar een 3, 5-brede kilometer (2 mijl) ) ontvanger op de grond. Dat zou een oppervlakte van ongeveer 900 hectare vereisen. Vergelijk dat met de Solar Star-zonnepaneelfabriek in Californië, momenteel het grootste zonne-energiebedrijf van de Verenigde Staten, dat 3.200 hectare beslaat.
Radiofrequente krachtoverbrenging heeft één belangrijk nadeel: de "veilige" golflengtes die ook niet worden gebroken door zoiets eenvoudigs als regen zijn al overvol, verstopt door reguliere radio-uitzendingen, evenals militair, industrieel en satellietgebruik.
Critici van ruimte-zonne-energie, waaronder Tesla's Elon Musk, zeggen dat efficiënties op economische schaal gewoon niet kunnen worden bereikt vanwege al het omzetten en opnieuw omzetten van de benodigde energie.
Maar Jaffe is hoopvol dat de oude breuk in fusie niet ook zal gelden voor ruimte-zonne-energie: "Het is al tien jaar weg voor de laatste 60 jaar", lacht hij.
Mankins benadrukt dat met de voorspelling dat de wereldbevolking tegen het einde van de eeuw tot 11, 3 miljard zal exploderen, met bijna alles dat in de ontwikkelingslanden wordt vertegenwoordigd, ruimte-zonne-energie een serieuze investering verdient van zowel openbare entiteiten als particuliere partners. Hij zegt dat overvloedige schone energie nodig is om in de basisbehoeften van de mens te voorzien en de gegarandeerde vernietiging van het milieu aan te pakken als al die energie uit conventionele bronnen komt.
"Als de mix van energiebronnen niet radicaal verandert, is er geen manier om CO2-neutraal te worden", zegt Mankins. “Je kunt ook niet 800 miljoen mensen in China vertellen dat ze in extreme armoede moeten blijven. Het is niet alleen nodig om het huidige koolstofgebruik te compenseren, maar ook om 70 jaar vooruit te kijken en om het gebruik van vandaag drie keer te compenseren. We hebben echt grote oplossingen nodig. ”
