Vooruitgang in zonne-energie maakt ruimtegebaseerde oplossingen plausibel

Er wordt al geruime tijd uitgebreid onderzoek gedaan naar manieren om af te vangen en te gebruiken zonne-energie uit de ruimte is onderweg. Wetenschappers en technologie-experts zijn van mening dat zonne-energie uit de ruimte een efficiënte aanvulling zou kunnen zijn op de beschikbare reeks duurzame energiebronnen. 

Functioneel gezien zou de opstelling energieopvang- en oogstpanelen op orbitaal niveau hebben, die zonne-energie zullen terugstralen naar hun ontvangende tegenhangers op planeet Aarde. En aangezien het om de ruimte, de planeet Aarde en de transmissieroute tussen deze twee punten gaat, moet het bestaan ​​uit geavanceerde technologische oplossingen. 

Veelbelovend is dat de vooruitgang die wereldwijd op het gebied van zonne-energie is geboekt, de productie van zonne-energie in de ruimte plausibel heeft gemaakt. Maar voordat we er dieper op ingaan, moeten we eerst even kijken naar wat op de ruimte gebaseerde oplossingen voor zonne-energie betekenen en wat hun voordelen zijn. 

Ruimtegebaseerde zonne-energie en de voordelen ervan

Volgens gegevens van het Amerikaanse ministerie van Energie ontvangen we elk uur op aarde meer zonne-energie dan we in een jaar kunnen gebruiken. Bijna 30% van deze energie gaat ongebruikt terug naar de ruimte door de atmosfeer. Deze energie kan efficiënt worden opgevangen en gebruikt als we robuuste, op de ruimte gebaseerde zonne-energiemechanismen installeren. 

In dit systeem kunnen op satellieten gebaseerde zonnepanelen meer energie opvangen en doorgeven dan wat wordt opgevangen door zonnepanelen die op het aardoppervlak zijn geplaatst. Ze presteren beter vanwege de voordelen die ze hebben als ze zich in de ruimte bevinden. Volgens de beschrijving van de DEA zijn dit: 

“Energiezendende satellieten zijn uitgerust met zonnepanelen en verzamelen ononderbroken zonnestraling met een hoge intensiteit.” 

De aanvoer is ononderbroken omdat er in de ruimte geen wolken en geen nacht zijn. 

De technologie omvat het inzetten van gigantische spiegels die enorme hoeveelheden zonnestralen reflecteren op kleinere zonnecollectoren, zodat ze op een veilige en gecontroleerde manier draadloos naar de aarde kunnen worden gestraald als een microgolf- of laserstraal. 

Omdat bij dit proces geavanceerde technologie betrokken is, trekt het innovatieve oplossingen van over de hele wereld aan. NASA heeft dat nu gedaan publiceerde een rapport over in de ruimte gebaseerde zonne-energie om zichzelf uit te rusten met de 'informatie die het nodig heeft om te bepalen hoe het de ontwikkeling van dit onderzoeksgebied kan ondersteunen.'

Het rapport probeert de parameters te beoordelen die een cruciale rol zouden kunnen spelen bij het maken van ruimtegebaseerde zonne-energie tot een concurrerende optie, waarbij de eindbestemming het bereiken van een netto nuluitstoot van broeikasgassen zou zijn. 

Enkele technologische knelpunten die NASA heeft geïdentificeerd voor onderzoekers en technologen die op dit gebied actief zijn, zijn de volgende:

• Ze zouden manieren moeten vinden om grote systemen te assembleren en in een baan om de aarde te houden.
• Er zou onderzoek nodig zijn om deze systemen autonoom te laten werken en over efficiënte energiestralen te beschikken om de geoogste energie naar de aarde te brengen. 
• Het NASA-rapport maakt er ook een punt van dat voordat in de ruimte gestationeerde zonne-energiesystemen in gebruik worden genomen, het belangrijk is om de kosten van het lanceren en bouwen ervan aan te pakken. Dit komt omdat het sturen van al dat materiaal naar de ruimte veel continue missies zou vergen om de infrastructuur in een baan om de aarde te brengen.

Het NASA-rapport is van mening dat in de ruimte gestationeerde zonne-energiesystemen tegen 2050 volledig productief en operationeel kunnen zijn. Door het rapport zijn enkele van de mijlpalen die op dit gebied zijn geboekt aan het licht gekomen. Het heeft ons bijvoorbeeld herinnerd aan de JAXA-wetenschappers die bewezen dat het mogelijk was om draadloos energie nauwkeurig als microgolven over een aanzienlijke afstand te verzenden om deze uiteindelijk in bruikbare elektriciteit om te zetten. 

Om de essentie van deze prestatie voort te zetten, kwamen Caltech-wetenschappers in maart 2023 met de Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) als het eerste ruimtevaartuig dat in de ruimte geoogste zonne-energie draadloos naar de aarde overbrengt.

NASA heeft ook enkele schattingen gedaan over de economische haalbaarheid van zonne-energie in de ruimte. Sommige deskundigen die al lange tijd nauw verbonden zijn met dit gebied, hebben deze schattingen eveneens in twijfel getrokken. Er is echter nauwelijks sprake van ontkenning van de voordelen die dit energieopwekkingssysteem belooft te bieden. Het zou kunnen helpen bij rampenbestrijding, het aandrijven van sensoren op afstand en het wegnemen van de bestaande knelpunten in ons traditionele energieproductiesysteem en de toeleveringsketen ervan. 

Kijkend naar de voordelen ervan zijn de nationale regeringen van alle ontwikkelde landen erin gaan investeren. Grote bedrijfsentiteiten die over de middelen beschikken om te investeren, zoals Airbus en Northrop Grumman, hebben er ook meedogenloos aan gewerkt. 

We zullen nu enkele van hun prestaties in de komende segmenten bekijken. Houd er echter rekening mee dat het een ruimte in ontwikkeling is en dat veel van de inspanningen zich nog in de fase van prototyping bevinden.

#1. Airbus Power Beaming

Een van de grote bedrijven die werkt aan het bevorderen van zonnetechnologie om ruimtegebaseerde oplossingen mogelijk te maken, is luchtvliegtuig. De Power Beaming-technologie, ontwikkeld door de Central Research & Technology en Blue Sky Departments van het bedrijf, heeft geloofwaardige demonstraties gegeven van hoe dit een game-changer zou kunnen zijn in de ruimtegebaseerde zonnetechnologie-scene. 

Volgens Jean-Dominique Coste, die samen met Yoann Thueux en hun collega's verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van Power Beaming: 

“Het potentieel van de technologie is om zonlicht op te vangen en dit vervolgens draadloos uit te stralen.” 

Deze wetenschappers geloven dat deze energieoplossing in staat zou kunnen zijn om steden, fabrieken, huishoudens en vliegtuigen op adequate wijze van elektriciteit te voorzien.

De technologieontwikkelaars van Airbus demonstreerden Power Beaming voor het eerst in de X-Works Innovation Factory van het bedrijf op 27 september 2022. Hoewel het op kleinere schaal werd uitgevoerd, kon de demonstratie voldoende uitleggen wat er nodig was om power beaming te laten werken. 

Coste, Thueux en hun collega's gebruikten microgolfstraling om groene energie uit te zenden tussen twee punten die de 'ruimte' en de 'aarde' vertegenwoordigden. De afstand tussen deze twee punten bedroeg 36 meter. De demonstratie produceerde ook groene waterstof om een ​​modelstad van stroom te voorzien. 

Nadat de demonstratie voorbij was, zei Yoann Thueux: 

“Nu we voor het eerst met succes de belangrijkste bouwstenen van een toekomstig ruimtegebaseerd zonne-energiesysteem op kleine schaal hebben getest, zijn we nu klaar om Power Beaming naar een hoger niveau te tillen.”

Airbus verwacht dat deze technologie binnenkort werkelijkheid zal worden. Het bedrijf verwacht dat de eerste werkende Power Beaming-prototypes begin 2030 beschikbaar zullen zijn voor gebruik. 

In de uiteindelijke toegepaste vorm zou de technologie een zonnepaneel in een geostationaire baan hebben, ongeveer 36,000 km boven de aarde. Dit zonnepaneel zal worden gekoppeld aan een zonnepaneel van dezelfde grootte op aarde. 

De energie die in de ruimte wordt verzameld, wordt naar beneden gestraald over een gebied waar veel antennes doorheen verspreid zijn. Deze antennes zouden de bundels oppikken zodat de energie weer in elkaar gezet kan worden om elektriciteit te produceren. 

Zodra dit systeem een ​​specifieke schaal bereikt, zou het evenveel kosten om er energie mee te produceren als bij grootschalige energieprojecten op aarde die afhankelijk zijn van kernenergie, olie of andere hernieuwbare energiebronnen. Volgens schattingen zou één geostationair zonnepark maar liefst twee gigawatt aan elektriciteit kunnen opwekken. 

In februari 15, 2024, Airbus gepubliceerd de resultaten voor het volledige jaar 2023, met een jaaromzet van 65.4 miljard euro, met een aangepaste EBIT van 5.8 miljard euro. 

#2. Northrop Grumman

Een andere grote mondiale entiteit die de noodzakelijke tests heeft voltooid die zijn technische capaciteiten op het gebied van zonne-ruimtevaart valideren, is Northrop Grumman. Het bedrijf demonstreerde met succes zijn vermogen om radiofrequentie-energie naar verschillende antennes te stralen door de straal te sturen. Het bedrijf heeft er vertrouwen in dat het in 2025 met zijn prototype zal komen. 

Dit prototype zou het vermogen van het bedrijf aantonen om RF-energie naar de planeet te stralen. De technologie is ontwikkeld door Northrop Grummans Incrementele demonstraties en onderzoek van zonne-energie in de ruimte (SSPIDR). 

Volgens Tara Theret, de programmadirecteur van SSPIDR: 

“Nu is het alleen nog maar het bouwen, testen en integreren van de rest van de hardware binnen een uitdagende tijdlijn.”

Verdere werkzaamheden in dit proces omvatten het verkleinen van elektronische componenten en het opschalen van het aantal 'sandwichtegels'. Sandwichtegels zijn niets anders dan fotovoltaïsche celpanelen die zonne-energie verzamelen en stroom overbrengen naar de volgende laag, die componenten bevatten die de conversie van zonne-energie naar RF mogelijk maken en helpen bij het vormen van de balken. 

Het bedrijf produceert ook de benodigde vluchthardware om het systeem samen te stellen en op het ESPAStar-platform van het bedrijf te lanceren. Het ESPAStar-platform is een satellietbus die ladingen voorziet van de nodige voortstuwing, kracht, standcontrole en communicatie. 

Ter validatie van het werk dat het heeft gedaan, moedigde het US Air Force Research Laboratory de inspanningen van Northrop Grumman aan met een contract van 100 miljoen dollar in 2018, waarbij het een lading zou ontwikkelen om de belangrijkste componenten van het prototype van een zonne-energiesysteem in de ruimte te demonstreren.

De autoriteiten van de luchtmacht wilden de ontwikkelingsinspanningen katalyseren die nodig waren om een ​​prototype van een ruimtegebaseerd systeem te bouwen dat de Amerikaanse militaire bases van zonne-energie zou kunnen voorzien. 

Over het geheel genomen zei Tara Theret, bij het wijzen op het potentieel dat ruimtegebaseerde oplossingen op het gebied van zonnetechnologie voor de toekomst hebben: 

“Het uitstralen van zonne-energie in de ruimte heeft het potentieel om overal op aarde en op elk moment energie te leveren. Deze technologie zou stroom beschikbaar kunnen maken voor afgelegen locaties die medische en communicatieapparatuur nodig hebben.”

Northrop Grumman geregistreerde totale omzet van 36.6 miljard dollar in het jaar eindigend op 31 december 2022. De inkomsten uit de Space Systems-stroom bedroegen bijna 12.3 miljard dollar, een opmerkelijke stijging ten opzichte van de 10.6 miljard dollar van het voorgaande jaar. Van de omzet van 12.3 miljard dollar die in 2022 werd verdiend, was 94% afkomstig van de Amerikaanse overheid, terwijl de rest van de 3%, 2% en 1% respectievelijk afkomstig was van internationale verkopen, verkopen aan andere klanten en verkopen tussen segmenten. 

#3. CESI

CESI, gevestigd in Milaan, Italië, heeft drie decennia ervaring in het uitvoeren van onderzoek, het ontwikkelen en produceren van zonnecellen die zeer efficiënt zijn voor ruimtetoepassingen. Belangrijker nog is dat het een van de meest gewilde mondiale leveranciers is van multi-junction-cellen die galliumarsenide en indiumgalliumfosfide gebruiken. 

CESI beschikt over een reeks ruimtecellen met drievoudige junctie. Deze cellen omvatten naast galliumarsenide en indiumgalliumfosfide ook germanium. Deze cellen blijken effectief voor Low Earth Orbit- en Geostationary Orbit-satellieten. Deze producten voldoen ook aan de vereiste ECSS E ST20-08C-normen. CESI is nu onderweg om vier junctiecellen uit te rollen die een hoger rendement zullen hebben dan drie junctiecellen. 

In de toekomst wil CESI een breed scala aan zonnecelproducten voor de ruimtevaart aanbieden die aan alle vereisten van het ruimtevaartprogramma zullen voldoen. Tot nu toe hebben de inspanningen van CESI geresulteerd in meer dan 200,000 zonnecellen, die meer dan 70 civiele satellieten van stroom voorzien voor klanten verspreid over 25 landen. 

CESI beschikt over een eigen technologie voor de productie van zonnecellen in Milaan. Door de jaren heen heeft het een hecht en diep netwerk opgebouwd met veel internationale ruimtevaartorganisaties en actoren. 

Net als Northrop Grumman werkt CESI ook samen met de Italiaanse nationale overheid en heeft het financiering ontvangen van de Italiaanse Nationale Ruimtevaartorganisatie (ASI) en de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA). Het heeft geavanceerde zonnecellen vervaardigd om te voldoen aan de behoeften van het Europese Ruimtevaartprogramma en aan die van vele interplanetaire missies. 

Volgens de laatste beschikbare versie financiële openbaarmaking, behaalde het bedrijf een omzet van meer dan 87 miljoen Tsjechische kronen in het boekjaar dat eindigde op 31 december 2022. 

Vooruitgang in ruimte-zonnetechnologie: de weg vooruit

Ruimtezonnetechnologie heeft zijn plaats gevonden door zijn waarde te bewijzen aan de wereldgemeenschap, waardoor nationale overheden over de hele wereld er met veel enthousiasme in zijn gaan investeren. In de Verenigde Staten vertaalde dit zich in actie toen het Naval Research Laboratory in 2020 een experiment uitvoerde om zonlicht op te vangen en om te zetten in elektrische gelijkstroom. Hiervoor werd het ruimtevliegtuig X-37B van de luchtmacht gebruikt. 

Ondertussen winnen ook de internationale inspanningen aan kracht. De Chinese autoriteiten hebben ambitieuze doelen gesteld met hun plan voor 2028 voor een in de ruimte gestationeerde demonstratie onder leiding van de China Academy of Space Technology. In Europa onderscheidt Solaris zich als een goed gefinancierd driejarig onderzoeksprogramma, dat groen licht heeft gekregen van de European Space Agency. Ook Groot-Brittannië doet mee aan de race, omdat het subsidies heeft verstrekt voor onderzoeken naar het benutten van zonne-energie in de ruimte. 

Het is duidelijk dat innovatieve bedrijven, grote en vindingrijke mondiale organisaties en overheden over de hele wereld hebben samengewerkt om de energie die de ruimte ons te bieden heeft, te benutten en te benutten. Met zulke ononderbroken, ongebruikte zonne-energie die wacht om te worden aangewend en benut ten behoeve van de planeet, ziet de toekomst er inderdaad veelbelovend uit.

Klik hier voor een lijst met de tien grootste aandelen op het gebied van zonne-energie.