Den Internationale Rumstation er vores hidtil største ingeniørbedrift i rummet, men ifølge det europæiske rumagentur, ESA, skal vi tænke større, meget større.
Forskerne fra ESA vil nemlig slukke klodens umættelige tørst efter grøn strøm ved at placere gigantiske solcelleanlæg i rummet. Anlæggene skal kredse i 36.000 kilometers højde og forsyne én million europæiske hjem.
Umiddelbart lyder det måske som en vanvittig idé at bygge en 15 km2 stor solcellepark i rummet, men vi har allerede teknologierne, der skal til, ligesom analyser viser, at fordelen i form af ren energi vil være så stor, at det opvejer de økonomiske kvaler ved byggeriet.
“Rumbaseret solenergi ville være et vigtigt skridt på vejen mod CO2-neutralitet og energiuafhængighed for Europa.” Josef Aschbacher, generaldirektør hos ESA
Dermed ikke sagt, at Solaris, som projektet er døbt, er lige så let som at klø sig i nakken. De ingeniørmæssige udfordringer står i kø, for hvordan skal en konstruktion på størrelse med 2000 fodboldbaner foldes ud i rummet? Og hvordan skal strømmen føres ned på Jorden?
For at finde svaret har ESA gravet en 55 år gammel idé frem fra skrivebordsskuffen.
Atmosfæren afviser sollyset
Tanken om at anbringe solceller i rummet er nemlig ikke ny. I 1968 fremsatte den amerikansk-tjekkiske rumingeniør Peter E. Glaser et koncept, som gik ud på at bruge satellitter til at høste solenergi, som så skulle transmitteres ned til Jorden.
Glaser opdagede nemlig, at der er flere markante fordele ved at flytte solcelleanlæg væk fra Jorden, selvom de bliver vanskelige at installere og vedligeholde.
Først og fremmest reflekterer Jordens atmosfære en stor del af sollyset tilbage til rummet. Ca. 30 pct. af lyset når derfor aldrig ned til de traditionelle solceller på overfladen.
Samtidig kan dis og skyer skabe et fænomen kaldet diffusion, som spreder og afbøjer det direkte sollys. Sollyset er derfor ca. ti gange mere intenst øverst i atmosfæren end nær jordoverfladen. Jo længere væk fra jordoverfladen solcellerne kommer, des mere effektivt kan solens energi altså høstes.
Sidst, men absolut ikke mindst kan solceller i rummet også afhjælpe de jordbundne solcellers største problem: mørke.
36.000 km over jordoverfladen, hvor Solen næsten altid skinner, skal solcelleparken konstrueres.
I en såkaldt geostationær bane, hvor solcelleparken følger det samme punkt på jordoverfladen, vil solcellerne i 36.000 kilometers højde blive ramt af Solens stråler 99 pct. af tiden.
Den store mængde energi skal herefter omdannes til elektricitet og sendes til Jorden. Det er ikke uden problemer, da strømmen ikke kan transporteres via elnettet, men i stedet skal overføres trådløst.
Peter E. Glaser havde faktisk også et bud på, hvordan denne trådløse overførelse kan foregå. Han ville nemlig transportere strømmen ved hjælp af elektromagnetiske bølger.
Strøm omdannes til mikrobølger
Elektronerne, som bliver skabt, når sollyset rammer solcellerne, kan ikke sendes til Jorden i sin nuværende form. Men hvis de fx omdannes til mikrobølger, kan energien overføres over flere tusind kilometer.
Princippet er det samme som i en mikrobølgeovn, hvor elektronerne ledes gennem en såkaldt magnetron og omdannes til mikrobølger. De ledes herefter ud i en antenne og sendes mod Jorden.
Solenergi overføres trådløst til Jorden
Den gigantiske solcellepark skal bygges højt over atmosfæren. Her vil solcellerne omdanne solenergien til strøm, som herefter omdannes til mikrobølger.
1. Solstråler opfanges døgnet rundt
Solcelleparken skal placeres 36.000 km over Jorden, hvor der er uhindret adgang til Solens stråler nærmest døgnet rundt. Kredsløbet sikrer, at solcelleparken altid følger det samme punkt over Jorden. Her placeres modtagestationen.
2. Solskin omdannes til mikrobølger
Solcellerne producerer strøm, som føres igennem en såkaldt magnetron, der også findes i mikrobølgeovne. Magnetronen skaber et magnetfelt, og når elektronerne fra solcellestrømmen bevæger sig ind i det, omdannes de til mikrobølger.
3. Solenergi sendes til Jorden
Vha. en antenne transmitteres mikrobølgerne ned mod modtageanlægget på Jorden. Mikrobølgerne sendes med en lav energi, hvilket betyder, at de ikke er skadelige for dyr eller mennesker, der måtte bevæge sig ind i strålens felt.
4. Mikrobølger omdannes til strøm
På Jorden befinder en modtagestation sig, som breder sig over 71 km2. Modtagestationen består af såkaldte rektenner, der igen omdanner mikrobølgerne til elektrisk strøm, som via elnettet ledes ud til forbrugerne.
Fordelen ved mikrobølgerne er, at de med deres korte bølgelængde på en meter til en millimeter passerer stort set uhindret ned til jordoverfladen uden at blive bremset af atmosfærens molekyler.
Endnu har ingen dog formået at sende mikrobølger over så store afstande, men siden 2020 har et forsøg med solceller ombord på et rumfly omdannet solenergi til mikrobølger. Resultatet af forsøget vil blive offentliggjort i løbet af 2023.
På Jorden bliver mikrobølgerne modtaget af såkaldte rektenner, en speciel type antenne, der omdanner den elektromagnetiske energi i mikrobølgerne til jævnstrøm. En sådan modtagestation vil ifølge beregninger lavet for ESA dække et område på 71 km2.
En anden mulighed er at omdanne strømmen fra rumsolcellerne til laserlys, som rettes direkte mod en solcellepark på Jorden. Her vil solcellerne på klassisk vis kunne omdanne laserlyset til elektrisk strøm.
Siden 2020 har et 30 cm stort solcellepanel omdannet strøm til mikrobølger ombord på et ubemandet rumfly. Panelet er udviklet af den amerikanske elektroingeniør Paul Jaffe.
Uanset hvilken metode ingeniørerne vælger, er overførslen af energi de rumbaserede solcellers helt store svaghed, for når elektrisk strøm omdannes til mikrobølger og tilbage igen, vil der uvægerlig være et energitab.
Rumsolcellerne bliver derudover kun et supplement til andre grønne energikilder, da beregninger viser, at det vil kræve 20-25 rumbaserede solcelleanlæg at dække 10 pct. af EU’s anslåede strømbehov i 2050.
Solceller foldes som origami
Selvom hele konceptet kan lyde science fiction-agtigt, understreger ESA, at de teknologiske løsninger bag solceller i rummet er på plads. Den største udfordring bliver derfor at bygge en konstruktion i rummet i en skala, som aldrig før er set mage.
I dag er rummets største ingeniørbedrift Den Internationale Rumstation, ISS, som inklusive sine solcellepaneler er omtrent på størrelse med en fodboldbane – dvs. ca. 7100 m2. Til sammenligning skal en solcellepark i rummet have et areal på over 15 km2, hvilket er over 2000 gange så stort.
15 kvadratkilometer skal den kosmiske solcellepark fylde – det samme som 2000 fodboldbaner.
Ifølge undersøgelser vil projektet tage 5-10 år at udvikle, mens de robotter, som skal installere solcelleparken i kredsløb om Jorden, stadig er 10-20 år ude i fremtiden.
Robotterne skal enten fjernstyres fra Jorden eller på egen hånd sammensætte konstruktionens ca. to millioner komponenter, der omfatter solcellepaneler, sensorer, motorer og mikrobølgesendere.
Kan konkurrere med atomkraft
For at lette arbejdet med at fragte de mange komponenter ud i rummet er forskere hos Caltech i USA ved at udvikle en ny type ultratynde, foldbare solcellepaneler.
Den avancerede solcellefilm leverer 50-100 gange mere effekt pr. kg sammenlignet med traditionelle solceller og er monteret på et tyndt og stærkt kompositmateriale. Det tredje lag i den millimetertynde konstruktion er antennerne, som er monteret direkte på bagsiden.
Solceller skal foldes sammen
En solcellepark på 15 km2 fylder ekstremt meget. For at spare på raketopsendelserne har forskere fra Caltech i USA udviklet en ultratynd rulle af kulfiber belagt med en solcellefilm. I midten af rullen sørger en motor for at spole filmen ud til fuld størrelse, når konstruktionen har indtaget sin plads i kredsløb om Jorden og er klar til at suge solstrålerne til sig.
I rummet vil foldbare solceller være nyttige, da de kan pakkes helt tæt og lastes i en rumraket, hvorefter de folder sig ud i kredsløb over Jorden. Caltech-forskerne forestiller sig solcelleanlæg bestående af foldbare solcellepaneler på 60 gange 60 meter sat sammen i en større konstruktion.
Som med andre energiteknologier handler succesen eller fiaskoen for rumbaseret solcelleenergi i sidste ende om, hvad det koster at producere en kilowatt-time til elkunderne.
Selvom det er dyrt at bygge solcelleanlæggene – prisen anslås til op til 13 milliarder euro bare i byggeomkostninger for det første anlæg – vil prisen falde med tiden. Og fordi anlæggene har direkte adgang til sollyset døgnet rundt, kan kilowatt-timeprisen efterhånden konkurrere med både atomkraft og sol- og vindenergi på Jorden.
Dermed er Peter E. Glasers 55 år gamle idé fra skrivebordsskuffen snublende tæt på at blive til virkelighed. Desværre når ophavsmanden ikke selv at opleve rumstrøm i sin stikkontakt. Glaser døde i 2014 – 90 år gammel.
