Kan solenergi från rymden hjälpa till att lösa våra energibehov?
Den senaste utvecklingen inom solenergi erbjuder potentiella lösningar på energisäkerhetskrisen – inklusive satelliter som skulle omvandla solljus till energi för jorden.
I slutet av november kommer ett toppmöte med europeiska vetenskapsministrar att samlas i Paris. Deras uppgift är att bestämma nästa prioriteringar för European Space Agency (Esa), som Storbritannien fortfarande är medlem i, och en av punkterna på deras lista att överväga är ett förslag för att testa genomförbarheten av att bygga kommersiella kraftverk i omloppsbana . Dessa enorma satelliter skulle sola sig i solljuset, omvandla det till kraft och stråla ner det till jorden för att matas in i elnätet. Det föreslagna projektet, känt som Solaris, skulle avgöra om idén kan bidra till Europas framtida energiförsörjning – eller om allt fortfarande är en tårta i himlen.
Om studien får klartecken blir det som att komma hem för rymdindustrin, som alltid har legat i framkant av solkraftsutvecklingen. Ett år efter att ryssarna sköt upp den batteridrivna Sputnik 1 1957, sköt amerikanerna upp Vanguard 1. Detta var den fjärde satelliten i omloppsbana och den första som genererade sin kraft med hjälp av solenergi. Sedan dess har solpaneler blivit det primära sättet att driva rymdfarkoster, vilket har hjälpt till att driva forskningen. Vanguard 1:s solceller omvandlade bara 9 % av det infångade solljuset till elektricitet. Idag har effektiviteten mer än fördubblats, och fortsätter att öka, samtidigt som tillverkningskostnaderna har sjunkit. Det är en vinnande formel.
”Kostnaden för solenergi har minskat snabbt under de senaste 20 åren och snabbare än de flesta aktörer i branschen förväntat sig”, säger Jochen Latz, partner på managementkonsulten McKinsey & Company. Så mycket att i Mellanöstern och Australien är solenergi nu det billigaste sättet att generera el. Enligt Latz, när tekniken fortsätter att utvecklas, kommer detta att bli sant även i länderna på mitten av breddgraden. ”År 2050 förväntar vi oss att mer än 40 % av energin i EU kommer från solenergi – om länderna når sina fastställda mål”, säger Latz. Det skulle göra solenergi till den enskilt största bidragande energikällan till EU.
Det finns dock uppenbara problem som behöver lösningar om vi fullt ut ska kunna utnyttja solpaneler på jorden. För det första, vad gör vi på natten? I maj demonstrerade Ned Ekins-Daukes, docent vid skolan för solcellsteknik och förnybar energiteknik vid University of New South Wales, Australien, och hans team av forskare en solcell som kunde generera elektricitet från utsläpp av infraröd snarare än från absorptionen av solljus. Detta fungerar perfekt på natten eftersom jorden lagrar energi från solen i form av värme, som den sedan strålar tillbaka ut i rymden som infraröd strålning.
Prototypenheten är baserad på samma typ av teknik som används i mörkerseendeglasögon och för närvarande kan den bara generera några få milliwatt effekt, men Ekins-Daukes ser potentialen. ”Detta är början – det är världens första demonstration av termisk strålningskraft”, säger han, vilket indikerar att teamet siktar på en färdig produkt som är ”10 000 gånger mer kraftfull”. På dessa nivåer är det möjligt att en takinstallation av sådana enheter, förmodligen tillverkad på något sätt som ett extra lager till konventionella solpaneler, skulle fånga tillräckligt med energi för att driva huset över natten – det vill säga att behålla kylen, wifi-routern och så på löpning. Även om det är en blygsam besparing för varje hushåll, multiplicerad över ett lands befolkning, blir den betydande.
Ett annat uppenbart problem med solenergi är att vissa dagar kommer att vara molniga. För att lindra detta måste överskottselen som genereras under soliga dagar lagras i batterier, men lagringskapaciteten är för närvarande bedrövlig. ”EU kommer att behöva cirka 200 gigawatt [GW] batterilagring till 2030, men från och med 2021 fanns det bara 2,4 GW lagring på plats, så en massiv ökning kommer att behövas”, säger Aidan McClean, vd för UFODrive, en hyrbilsföretag för helt el.
För att hjälpa till med denna brist förespråkar McClean ett system som kallas fordon-till-nät – V2G – som använder batteriet i ett elfordon (EV) för att lagra överskottsenergi som genereras av ett hems solpaneler på taket och sedan överföra den tillbaka till huset när behövs på kvällen, eller till och med sälja den vidare till National Grid vid andra perioder med stor efterfrågan. ”Om V2G blir allmänt accepterat kommer den förväntade lagringskapaciteten för alla elbilar att avsevärt överstiga alla förväntade lagringskrav som nätet kommer att kräva in i framtiden”, säger McClean. En nyligen genomförd V2G-försök i Milton Keynes, Buckinghamshire, visade att deltagarna sparade pengar och minskade sitt koldioxidavtryck genom att använda ett ”intelligent” laddningssystem som fyllde på batterierna när förnybara energikällor genererade el.
Ett annat tillvägagångssätt är att använda solenergi inte för att generera el utan för att producera hållbara fordonsbränslen. Virgil Andrei från avdelningen för kemi vid Cambridge University och hans kollegor har utvecklat ett tunt ”konstgjort blad” som hämtar sin inspiration från fotosyntes. I växter tar fotosyntesen in solljus, vatten och koldioxid (CO2) och omvandlar dem till syre och socker. I de konstgjorda bladen är utgången syngas, eller syntetisk gas. Denna blandning av väte och kolmonoxid kan användas för att producera ett antal bränslen via olika industriella processer. Det är till och med möjligt att tillverka bensin och fotogen.
”Vi föreställde oss att använda CO2 från atmosfären eller andra industriella processer och hälla det i dessa typer av system för att skapa grönt bränsle. Istället för att släppa ut mer CO2 i atmosfären har vi bara en cirkulär koldioxidekonomi, säger Andrei. I själva verket skulle de dra tillbaka kolavskiljningsanläggningar, som för närvarande används för att utnyttja CO2 från industriella processer, och ”återvinna” den till hållbara bränslen.
Teamet gjorde först ett konstgjort blad 2019 men det var en skrymmande konstruktion av glas och metall som satt på en bänkskiva. I år tillkännagav dock teamet resultaten av en mindre, verklig lövliknande struktur som forskarna flöt på floden Cam. Bladet förseglades inuti en genomskinlig plastpåse med prekursorgasen och vatten och lämnades sedan på floden i ett antal dagar. Teamet öppnade sedan påsen och testade vilka gaser som hade producerats genom fotosyntes.
De konstgjorda löven i sig är sammansatta av material som kallas perovskiter. Den arketypiska perovskiten är ett naturligt förekommande mineral av kalciumtitanoxid – även känd som kalciumtitanat – som upptäcktes 1839 i Uralbergen i Ryssland av den tyske mineralogen Gustav Rose och uppkallad efter sin ryska motsvarighet Lev Perovski. Moderna perovskiter kan ha olika kemiska beståndsdelar och vissa har visat att de kan fungera som solceller.
”De här materialen är väldigt nya och väldigt spännande”, säger Andrei. Laboratorietester visar att de kan vara effektivare än kisel som används i konventionella solpaneler. Perovskiter skulle till och med kunna ersätta kisel i framtidens solpaneler eftersom de kan tillverkas lättare och i tunna, flexibla lager. En annan bonus är att dessa material producerar högre strömmar och spänningar än deras kiselmotsvarigheter, vilket tillåter mer energiska processer som reaktionerna som användes i studien av konstgjorda löv.
Hur lovande allt detta än låter, men det finns ett oöverstigligt problem när man genererar solenergi från jordens yta: atmosfären. Molekylerna i vår atmosfär sprider ungefär hälften av solljuset från den direkta strålen. Det här spridda ljuset som studsar runt är det som skapar den blå himmel vi är så bekanta med. I rymden finns det ingen atmosfär, så solens ljus är outspätt. Och som flygingenjörerna i början av rymdkapplöpningen fann, sätt en solpanel i omloppsbana och den kommer automatiskt att generera ungefär dubbelt så mycket kraft som motsvarande panel på jorden. Föga överraskande då har ingenjörer och visionärer drömt om att sätta solenergiproducerande satelliter i omloppsbana i decennier.
Grundprincipen är enkel. En flotta av rymdfarkoster med gigantiska solpaneler samlar in solljus innan det omvandlar det till kraft och sedan skickar den energin tillbaka till jorden. Hur överför du energi trådlöst över rymden? Det visar sig att vi har gjort det i decennier. Varje telekommunikationssatellit sedan 1960-talet har använt en solpanel för att generera elektricitet, som sedan omvandlas till en mikrovågssignal och skickas till jorden. På marken omvandlar antenner mikrovågorna tillbaka till elektrisk energi och läser av signalerna. ”Fysiken som är involverad i hela den kedjan är exakt densamma för rymdbaserad solenergi, men skalan på den är helt annorlunda”, säger Sanjay Vijendran från Esa, som koordinerar det föreslagna Solaris-programmet för att studera genomförbarheten av rymdbaserad solkraft.
Med några decennier sedan början av rymdkapplöpningen har idén om rymdsolenergi undersökts. Vid varje tillfälle har historien varit densamma: kostnaden för att skjuta upp så stora satelliter är oöverkomliga. Men nu är det annorlunda.
”2015 händer ett mirakel. Den återanvändbara raketen Falcon 9 flyger för första gången”, säger John Mankins, en före detta Nasa-fysiker som nu är president för Artemis Innovation Management Solutions. Mankins är expert på solenergisatelliter, efter att ha arbetat med många av förstudierna under decennierna. Med tillkomsten av en verkligt återanvändbar raket, sjunker kostnaden för att skicka utrustning i omloppsbana. Istället för att kosta cirka 1 000 dollar att skjuta upp varje kilogram ut i rymden, räknar Mankins nu med att priset kommer ner till närmare 300 dollar per kilogram. ”Det är den heliga graalen för rymdsolenergi. Det är inte bara möjligt någon dag – det är oundvikligt under de kommande fem eller sju åren, säger han.
Andra är lika optimistiska. I september 2021 publicerade Frazer-Nash Consultancy en rapport för den brittiska regeringen som drog slutsatsen: ”Solenergi i rymden är tekniskt genomförbar, prisvärd och kan både ge betydande ekonomiska fördelar för Storbritannien och kan stödja nettonollvägar.” I slutet av augusti släppte Esa sina egna studier om rymdbaserad solenergi, som kom fram till en liknande slutsats för hela Europa. Som ett resultat kommer byrån i november att begära att dess medlemsländer finansierar en treårig genomförbarhetsstudie av solenergisatelliter för att i detalj undersöka om ett sådant system kan bli kommersiellt gångbart. ”Solaris är en bro för att kontrollera att detta verkligen är genomförbart och att det verkligen skulle hjälpa innan vi ber om miljarder euro”, säger Vijendran.
Oavsett om sådana satelliter går i omloppsbana eller inte, råder det ingen tvekan om att solenergi kommer att dominera framtidens energilandskap. Och som den nuvarande Ukrainakrisen visar, kan det leda till bättre energisäkerhet och minska vår koldioxidutsläpp.
