Rumbaseret solenergi

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
NASA Integrated Symmetrical Concentrator PLC

Rumbaseret solenergi ( engelsk rumbaseret solenergi, SBSP) er en foreslået metode til solenergi i rummet til at indsamle og transmittere til Jorden.

En væsentlig del af den indgående solstråling (55–60%) går tabt på vej gennem jordens atmosfære gennem effekter som refleksion og absorption. Rumbaserede solenergisystemer ville konvertere sollys uden for atmosfæren til mikrobølger og udsende dem til jorden. Dette ville undgå tabene og - hvis de blev designet hensigtsmæssigt - nedetid forårsaget af jordens rotation , men med ekstremt høje investeringsudgifter til transport af materiale i kredsløb. Orbital solcelleanlæg betragtes som en form for vedvarende energi . Forskellige begreber er blevet diskuteret siden begyndelsen af ​​1970'erne, [1] [2], men ingen af ​​dem giver økonomisk mening med nutidens lanceringskøretøjer , hovedsagelig fordi jordbaserede kraftværker genererer elektricitet til en brøkdel af prisen. Alle designs arbejder med strålingsenergitætheder, der ikke ville være skadelige, hvis mennesker blev udsat for en kort periode. Den krævede modtageantennes enorme størrelse ville imidlertid kræve store, flade (dvs. for det meste landbrugsarealer) i nærheden af ​​slutbrugeren.

Fra og med 2020 gennemføres undersøgelser og eksperimenter om gennemførligheden af ​​sådanne projekter aktivt af Japan , Kina og USA , blandt andre i Japan på grund af afvisning af atomkraftværker i brede dele af befolkningen, [3] i Kina og USA på grund af langsigtede strategiske overvejelser, især af militæret. [4] [5]

Historiske studier

Forenede Stater

Det amerikanske rumfartsagentur NASA og det amerikanske energiministerium brugte 80 millioner dollars på undersøgelser af gennemførligheden af ​​rumbaserede solkraftværker fra midten af ​​1970’erne til midten af ​​2000’erne. [5]

Peter E. Glaser

I 1941 udgav science fiction -forfatteren Isaac Asimov science fiction -novellen " Reason ", hvor en rumstation bruger mikrobølgestråler til at overføre den energi, der er indsamlet af solen, til forskellige planeter. Et reelt koncept for et orbital solkraftværk blev først beskrevet i november 1968 af den tjekkisk-amerikanske ingeniør Peter Eduard Glaser . [6] I 1973 blev Glaser tildelt US patent nr. 3.781.647 for sin metode til at overføre energi ved hjælp af mikrobølger over lange afstande fra en meget stor antenne (op til en kvadratkilometer) på et orbital solkraftværk til en meget større i dag antenne på jorden kendt som " Rectenna ". [7]

Glaser arbejdede for managementkonsulenten Arthur D. Little . NASA bestilte ADL sammen med våbenvirksomhederne Raytheon og Grumman samt den californiske solcelleproducent Spectrolab at udføre en bred undersøgelse af banekraftværker. Den 1. februar 1974 konkluderede undersøgelsens forfattere, at selvom konceptet havde flere store problemer - især omkostningerne ved at få de materialer, det havde brug for i kredsløb og mangel på erfaring med projekter af denne størrelse i rummet - at det gjorde, men var lovende nok til at berettige yderligere undersøgelse og forskning. [8] [9]

NASA / DoE undersøgelse

Kunstnerisk koncept for solenergisatellitten i aktion. Arrangementet af en mikrobølgetransmissionsantenne er vist. Solenergisatellitten skal være i en geosynkron bane 22.236 miles over jordens overflade. NASA 1976

Under påvirkning af oliekrisen i 1973 gennemførte NASA og United States Department of Energy (DoE) en forundersøgelse af rumbaserede solkraftværker mellem juli 1977 og august 1980 med et budget på $ 15,6 millioner. [10] [11] Denne undersøgelse er stadig den mest omfattende, der er blevet gennemført hidtil. [12] Rapporter om forskellige emner blev udarbejdet, herunder:

  • Ressourcebehov (materialer, energi og jord)
  • Finans- og ledelsesscenarier
  • Public relations eller public accept
  • Statslige og lokale bestemmelser for satellitsystemer eller mikrobølgemodtagende antennesystemer
  • Mulighed for lasere til SBSP -kraftoverførsel
  • Internationale aftaler
  • Centralisering / decentralisering
  • Kortlægning af eksklusionsområder for Rectenna -websteder
  • Økonomiske og demografiske spørgsmål; forventet elforbrug i målområdet
  • Meteorologiske virkninger på spredning af laserstråler og direkte solpumpede lasere
  • Evaluering af energitransmission og modtagelse
  • Transport i kredsløb [13]

holdning

Projektet fortsatte ikke efter kongresvalget i 1980 og indvielsen af ​​den republikanske præsident Ronald Reagan . Teknologivurderingsbureauet konkluderede, at der var for lidt kendskab til de tekniske, økonomiske og miljømæssige aspekter ved orbital solkraftværker til at kunne træffe en informeret beslutning om, hvorvidt der skal fortsættes med udvikling og implementering; et sådant program ville være fyldt med utålelige risici. 1995–1997 gennemførte NASA derefter "Fresh Look Study" [14] for at undersøge den aktuelle status for gennemførligheden af ​​et sådant projekt. Det kom til den konklusion, at først og fremmest omkostningerne ved transport fra jordoverfladen til en bane skulle reduceres drastisk.

Forskning og teknologi program til at udforske rummet solenergi

I 1999 blev NASA Space Solar Exploratory Research and Technology Program (SERT) startet med følgende mål:

  • Gennemfører designundersøgelser for prototyper af kredsløbsanlæg af forskellige typer.
  • Evaluering af undersøgelser af den generelle gennemførlighed, design og krav til sådanne kraftværker.
  • Udarbejdelse af begreber til delsystemer, der også kan bruges til andre formål i rummet eller på jorden.
  • Formulering af en foreløbig handlingsplan for USA (i samarbejde med internationale partnere) til at iværksætte et aggressivt teknologiinitiativ.
  • Oprettelse af teknologiudvikling og demonstration køreplaner for kritiske elementer i rummet solenergi.

Som en del af SERT blev der udviklet et koncept for et fremtidigt gigawatt -kraftværk baseret på de teknologier, der blev brugt dengang. En oppustelig fotovoltaisk edderkoppespindestruktur blev foreslået ved hjælp af koncentratorlinser eller termiske motorer til at omdanne sollys til elektricitet. Ingeniørerne betragtede systemer i både solsynkron bane og geosynkron bane . Her er nogle af deres konklusioner:

  • Den stigende tendens i den globale energibehov forventes at fortsætte i mange årtier, hvor nye kraftværker i alle størrelser bliver bygget.
  • Miljøpåvirkningen af ​​disse faciliteter og deres indvirkning på verdens energiforsyning og geopolitiske forhold kan være problematisk.
  • Vedvarende energi er en overbevisende tilgang, både filosofisk og teknisk.
  • På grund af deres iboende jord- og vandbehov har mange vedvarende energikilder begrænset evne til på rimelig vis at levere den baseladningskraft , der kræves for global industriel udvikling og velstand.
  • Nogle begreber til banekraftværker er modne nok til at blive diskuteret alvorligt.
  • Rumsolsystemer ser ud til at have mange betydelige miljømæssige fordele sammenlignet med andre tilgange.
  • Rentabiliteten i rumsolsystemer afhænger af mange faktorer og den vellykkede udvikling af forskellige nye teknologier (ikke mindst tilgængeligheden af ​​en meget billigere adgang til rummet end før); det samme er imidlertid tilfældet med mange andre energiteknologier.
  • Rum solenergi kan meget vel vise sig at være en seriøs kandidat blandt mulighederne for at opfylde energibehovet i det 21. århundrede. [15]
  • Lanceringsomkostninger i intervallet $ 100– $ 200 pr. Kilogram nyttelast for lav jordbane eller geosynkron bane er nødvendige, hvis et orbital solkraftværk skal være økonomisk rentabelt. [12]

Indtil 2010 foretog NASA forskellige andre undersøgelser af muligheden for solcelleanlæg i rummet. [16]

Japan

I Japan har Japan Science and Technology Agency , Society of Japanese Aerospace Companies og andre institutioner siden 1979 været involveret i grundforskning og koncepter for orbital solkraftværker. [17]

Aktuelle projekter

Japanese Aerospace and Space Research Authority

Efter at parlamentet vedtog en rumlov den 21. maj 2008, [18] blev det strategiske hovedkvarter for rumpolitik oprettet i det japanske kabinet, da loven trådte i kraft i august 2008. [19] [20] Den 2. juni 2009 vedtog dette en hvidbog om rumpolitik. Et tiårigt program for udvikling af rumbaseret solenergi blev fastsat der. En eksperimentel enhed til trådløs kraftoverførsel bør installeres i Kibō -modulet på den internationale rumstation (ISS) eller i en lille satellit for at teste systemet og måle dæmpningseffekter af atmosfæren. [21] I 2020 -udgaven af ​​hvidbogen om rumpolitik er udviklingen af ​​et orbital solkraftværk stadig fastlagt. [22]

I april 2014 udtalte astrofysikeren Susumu Sasaki fra Institute of Space and Astronautical Science fra det japanske rumagentur JAXA [23] , at JAXAs planer havde foreslået, at et kommercielt orbitalkraftværk med 1 GW output kunne realiseres med mindre prototyper i 2030'erne at demonstrere. Et sådant kraftværk ville veje mere end 10.000 t og have dimensioner på flere kilometer. For at sikre strømforsyningen selv om natten i Japan foreslår de japanske forskere at bruge to modstående gitterrammer med spejle, der fanger sollyset når som helst på dagen og - med varierende effektivitet - på et ikke fast, men snarere et placeret mellem spejlene Reflekter et fritflyvende modul med solceller og en mikrobølgesender, der er permanent tilpasset jordstationen. [3]

Allerede i 2008 gennemførte forskere fra University of Kobe sammen med den tidligere NASA -fysiker John C. Mankins, nu formand for bestyrelsen for managementkonsulentfirmaet Artemis Innovation Management Solutions, [24] et forsøg på Hawaii , hvor en faset array -antenne 20 W fra en bjergtop på Maui til øen Oahu 150 km væk. Meget lidt energi nåede hovedøen, men dette eksperiment dannede grundlaget for yderligere forskning. [25] [26] Den 12. marts 2015 annoncerede JAXA, at det trådløst havde overført 1,8 kW over 55 meter til en lille modtager ved at konvertere elektricitet til mikrobølger og derefter tilbage til elektricitet. [27] [28] Samme dag demonstrerede Mitsubishi Heavy Industries i Kobe Branch overførsel af 10 kW strøm til en modtagende enhed, som var placeret i en afstand af 500 meter. [29] [30]

Folkerepublikken Kina

I Kina tilføjede Statskommissionen for Udvikling og Reform orbital solkraftværker til listen over nationale foreløbige planlægningsprojekter i 2008. [31] I 2010, efter høring og offentlig diskussion, udarbejdede medlemmer af det kinesiske videnskabsakademi og det kinesiske ingeniørakademi under ledelse af Wang Xiji fra det kinesiske akademi for rumteknologi (CAST) en fælles rapport med titlen "Vurdering af teknologisk udvikling i rumbaserede solkraftværker og forskning, der stadig er påkrævet ”. Heri kom forskerne til den konklusion, at på baggrund af tidens teknologiske niveau og Kinas økonomiske styrke var det muligt gradvist at opbygge en rumbaseret strømforsyning. Først bør der oprettes en computermodel af en jordstation, efterfulgt af praktiske forsøg med konstruktion af understøttelsesstrukturer til solceller i rummet. Endelig skal prototypen på en transmitterende antenne med en diameter på 100 m og et lysopsamlingsspejl installeres i kredsløb. [32] [33] I 2014 blev professor i antenneteknologi Duan Baoyan fra University of Electrical Engineering and Electronics Xi'an ansat af Qian-Xuesen Laboratory for Space Technology , tænketanken for CAST, til at stå i spidsen for et specielt oprettet for ham Department til at håndtere de tekniske problemer, der er forbundet med at bygge et sådant kraftværk. [34] [35] Det relaterede arbejde blev finansieret af National Science Foundation, ligesom den separate forskning ved Jilin University i Changchun fokuserede på at fokusere mikrobølgestrålen. [36] I januar 2016 præsenterede Duan og hans team et koncept for et 23.000 tons kraftværk baseret på en indvendig spejlet hulkugle 8-10 km i diameter med en nettoeffekt på 2 GW, den såkaldte SSPS-OMEGA ( Space Solar Power Station via Orb-form Membrane Energy Gathering Array ). [1] [37] [38]

Siden begyndelsen af 2019, den Xian Research Institute 504 af det kinesiske Academy of Space Technology, University of Xian Elektro og elektronik, den Chongqing Universitet har og District regering Bishan været at investere 200 millioner yuan i den Bishan Distriktet i den sydvestlige kinesiske by Chongqing (i form af købekraft omkring 200 millioner euro) byggede en testbase til trådløs energitransmission . [39] Der udføres mikrobølgeenergioverførselsforsøg med en platform trukket af bundne balloner i højder på 50–300 m. Mellem 2021 og 2025 skal der bygges et lille solkraftværk, der flyder i stratosfæren , der allerede leverer elektricitet ind i nettet. Fra 2025 skal arbejdet på et orbital solcelleanlæg, der vejer omkring 200 t i megawattområdet, begynde. [40] [41] Året 2045 blev udnævnt som tidsmålet for realiseringen af ​​det orbital testkraftværk i 2020. [42]

Den 23. december 2018 blev " Shaanxi Provincial Focus Laboratory for Space Solar Power Plant Systems" under ledelse af Duan Baoyan og Wu Weiren oprettet på Xi'an University of Electrical Engineering and Electronics, [43] og "Interdisciplinary Forskningscenter for systemerne i det rumbaserede solkraftværk ". [44] Projektets navn er nu officielt "Zhuri" eller "Sun Chase" (逐日 工程), afledt af legenden " Kuafu Chases the Sun ", hvor en kæmpe forsøger at indhente solen. [45]

Amerikansk militær

I 2007 lancerede det amerikanske forsvarsministeriums National Security Space Office et initiativ til undersøgelse af rumbaseret solenergi. En første undersøgelse offentliggjort i 2007 vurderede denne teknologi som lovende og strategisk fordelagtig, selvom der stadig er betydelige tekniske og økonomiske udfordringer, der skal overvindes. Det blev anbefalet at skabe gunstige rammebetingelser for udviklingen af ​​sådanne systemer og statslige initiativer til at teste og bruge dem. [5]

Et tilsvarende forskningsprojekt kaldet Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) har været placeret på Air Force Research Laboratory . I slutningen af ​​2019 indgik laboratoriet en kontrakt på 100 millioner dollars med Northrop Grumman om at udvikle rumsoleteknologi. [46] Kernen i ordren er et planlagt rumfartøj kaldet Arachne , som vil demonstrere indsamling og transmission af solenergi. [47] California Institute of Technology har forsket i relevant teknologi for Northrop Grumman siden 2015. [48] Som en del af dette projekt kaldet Space Solar Power Initiative (SSPI) skal et første forsøg med trådløs energitransmission bringes ud i rummet i slutningen af ​​2021. [49]

Det fotovoltaiske radiofrekvente antennemodul

Et andet projekt udføres af Naval Research Laboratory . Den 17. maj 2020 startede det fotovoltaiske radiofrekvente antennemodul (PRAM) bygget af laboratoriet med et X-37 rumflyvefly -ifølge US Navy, verdens første rumeksperiment specifikt til test af SBSP-teknologi. Den flade, cirka 30 × 30 cm store enhed er permanent monteret på svæveflyet og tester dannelsen af ​​mikrobølgestråling fra solenergi. Eksperimentets fokus er undersøgelsen af ​​energieffektivitet og temperaturstyring for elektronik under rumforhold. Hvis resultatet er positivt, vil en senere version teste energioverførsel til jorden. [50] [51]

Fordele og ulemper

fordele

Et orbital solkraftværk giver en række fordele i forhold til terrestriske systemer:

  • Tæpperne modtager meget mere intens sollys på grund af manglen på forhindringer som atmosfæriske gasser, skyer, støv osv.
  • Dynerne lyser over 99% af tiden, når de roterer eller vipper i henhold til solens position. Et orbital solcelleanlæg ville kun i foråret og efteråret, tidspunktet på dagen og natten er lige nogle, ved midnat i op til 72 minutter i skyggen af ​​jorden. På den anden side leverer solkraftværker på jordoverfladen kun elektricitet 29% af dagen i gennemsnit. [52]
  • Elektriciteten kunne - hvis der findes de passende modtagelsessystemer - skiftevis bringes til de områder, der har mest brug for det, afhængigt af basisbelastningen eller spidsbelastningen for elektricitet.
  • Ingen forringelse af solcelleoverfladerne af sandstorme, planter og vilde dyr, kun af mikrometeoritter og kosmiske stråler .

ulempe

Der er også en række problemer med SBSP -konceptet:

  • De høje omkostninger ved raketopskydninger på i øjeblikket (2020) omkring 30.000 amerikanske dollars pr. Kg. [53] Ved 6,5 kg / kW kan omkostningerne ved at placere et solcelleanlæg i geostationær bane ikke overstige $ 200 / kg, hvis elomkostningerne skal være konkurrencedygtige.
  • Lysopsamlingsfladerne skal rotere eller vippes i henhold til solens position for at øge effektiviteten og spare vægt. Det betyder, at store og tunge genstande skal flyttes. Især de kræfter, der opstår på fleksible komponenter, såsom tynde spejle eller fortøjningstov, er matematisk vanskelige at forstå, og vibrationsdæmpning er vanskelig (et orbital solkraftværk er dybest set en ophængskabelbro , der ingen steder er forankret). [54]
  • Den krævede kraft til at flytte komponenterne forårsager, i lighed med atomkraftværker, en relativt stor forskel mellem kraftværkets brutto- og nettoproduktion .
  • Vanskeligheden ved at begrænse energioverførsel til en snæver vinkel. Ved en transmissionsfrekvens på 5,8 GHz, som giver det bedste kompromis mellem antennestørrelse og atmosfærisk dæmpning, skal strålen være tændt med en rund transmitterende og modtagende antenne, hver 1 km i diameter og en station i geostationær bane, dvs. 36.000 km over jordens overflade 0,0005 grader eller 2 buesekunder kan bundtes. [1] [3] I 2019 fordelte de mest avancerede energitransmissionssystemer dengang deres strømstråle halvbredde over mindst 0,9 grader. [55][56]
  • Utilgængelighed: Vedligeholdelse af et jordbaseret solpanel er relativt ligetil, men at bygge og vedligeholde et solpanel i rummet ville typisk være telerobotisk. Rumrejsende, der arbejder i en geosynkron jordbane, dvs. midt i Van Allen -bæltet , udsættes for uacceptabelt høje strålingsniveauer. Derudover koster brugen af ​​rumrejsende cirka tusinde gange mere end at få en robot til at gøre det samme arbejde.
  • Rummiljøet skader teknologien. Solcellemoduler har kun 1/8 af det liv, de ville have på jorden. [57]
  • Space vragrester er en stor trussel mod objekter i rummet, især store strukturer som underart systemer, der er under 2000 km på deres vej gennem murbrokkerne. Når den geostationære bane er nået, reduceres risikoen for kollision kraftigt, fordi alle satellitter bevæger sig i samme retning og har samme hastighed.
  • Størrelsen og omkostningerne ved den modtagende station på jorden. Omkostningerne blev anslået til 1 milliard dollar for 5 GW af SBSP -forsker Keith Henson.
  • Energitab i flere faser af konvertering fra lys til elektricitet til mikrobølger tilbage til elektricitet. [58] Med den nyeste teknik fra 2015 ville fanget solstråling på 22,4 GW være nødvendig for at føde 2 GW til nettet på jorden. Hvis man antager en forbedring af de enkelte komponenters effektivitet inden 2050, skal der stadig opsamles 5,14 GW sollys for den samme nettoeffekt. [1]
  • Bortskaffelse af spildvarme i rumsystemer er alligevel svært, men bliver uløseligt, når hele rumfartøjet er designet til at absorbere så meget solstråling som muligt. Konventionelle temperaturkontrolsystemer til rumfartøjer , såsom radiatorer , kan skygge for solmodulet eller senderen.

Grundlæggende koncept

De foreslåede rumbaserede solkraftværker består hovedsageligt af tre komponenter: [2]

  • Indsamling af sollys i rummet med reflekser eller linser, der leder lyset mod solceller
  • Trådløs kraftoverførsel til jorden via mikrobølgeovn
  • Modtagelse af energi på jorden gennem en antenne

Et orbital solcelleanlæg behøver ikke at støtte sig selv mod tyngdekraften, men ville blive udsat for tidevandskræfter , som bliver større jo større systemet plus stærkt lufttryk (de lysopsamlende overflader fungerer som et gigantisk solsejl ) og - især i begyndelsen af ​​dets driftstid - trykket fra udgasning fra komponenterne. Mens tidevandskræfterne er et iboende problem, let tryk, ud- gassede og virkningerne af position stabilisering svinghjul etc. kan kompenseres med præcist styrbare orbit korrektion motorer, hvilket naturligvis på sin side belaster strukturen. [59]

Valg af bane

Den største fordel ved at placere et rumkraftværk i geostationær bane ville være, at den grundlæggende antennegeometri ville forblive konstant, og dermed ville opretningen af ​​antennerne være lettere. En anden fordel ville være, at næsten kontinuerlig energioverførsel ville være tilgængelig, når det første kraftværk sættes i kredsløb. I en lav jordbane skulle man have brug for flere kraftværker, før der kontinuerligt kunne genereres energi. Sidstnævnte mulighed blev foreslået som en forløber til et solkraftværk i geostationær bane for først at teste teknologierne. [60] Lav jordbaner i et par 100 km højde kan nås billigere, og mikrobølgebjælken ville være lettere at fokusere. Men da en geostationær bane med en højde på 36.000 km er lettere at vedligeholde på grund af dens afstand fra eksosfæren og jordens tyngdefelt og et orbital solkraftværk skal betjene basislastforsyningen på et givet sted, bruger alle begreber i dag en geostationær bane.

Antenner

Effektstrålingen fra den geostationære bane ved mikrobølger har den vanskelighed, at antenneåbningerne skulle være meget store. F.eks. Krævede NASA / DoE -undersøgelsen fra 1978 en transmitterende antenne med en diameter på 1 km og et modtagelsesrektangel med en diameter på 10 km til en mikrobølgestråle ved 2,45 GHz . I praksis ville den betydelige størrelse af transmitterende og modtagende antenner betyde, at output fra et orbital solcelleanlæg uundgåeligt ville være højt; små systemer ville i princippet være mulige, men endnu mere ineffektive end store.

Antennen på jorden vil sandsynligvis bestå af mange korte dipolantenner forbundet med dioder . Effektiviteten af ​​en sådan rectenna, der leverer jævnstrøm, var omkring 70% i 2015. I Kina antages det, at dette kan øges til 90% inden 2050. [1] [61]

Transport af komponenterne ud i rummet

Et problem med at bygge orbital solkraftværker er mængden af ​​materiale, der transporteres. I 2015 var energi- / masseforholdet for solfangere, der faktisk blev brugt i rumfart, dvs. solceller plus understøttende struktur, 150 W / kg eller 6,7 kg / kW. [62] Derudover er der selvfølgelig vægten af ​​spejle eller linser og frem for alt transmitterens og antennens vægt. Duan Baoyan fra Qian Xuesen Laboratory for Space Technology gik med sit koncept udgivet i 2016 til et 2 GW orbital solkraftværk med et sfærisk konkavt spejl og en internt roterende solfanger af galliumarsenid -solceller med en effektivitetsforbedring fra 30% til 60% i 2050 og et energi / masseforhold på derefter 3 kW / kg. Dette gav ham en masse på 1903 t alene for solfangeren. Senderen plus antennen var mere end ti gange så tung. Under forudsætning af meget lette materialer til spejle og deres støttenet, beregnede Duan en samlet vægt på 22.953 t for stationen. [1]

I Folkerepublikken Kina går alle involverede nu ud fra, at komponenterne vil blive transporteret med supertunge startbiler fra familien Changzheng-9 . [63] Long Lehao ​​(龙 乐 豪, * 1938), indtil 2004 chefdesigner for Changzheng 3A ved Chinese Academy for Launch Vehicle Technology, [64] forklaret den 24. juni 2021 ved et gæsteforedrag ved University of Hong Kong, at med basisversionen af ​​Changzheng 9, som ville være tilgængelig i 2030, kunne en nyttelast på næsten 40 tons transporteres i geostationær bane. En videreudviklet version med en genanvendelig første etape og reduceret egenvægt gennem nye materialer ville have en større nyttelastkapacitet og kunne transportere næsten 70 t pr. Flyvning til geostationær bane i 2050. [65] [66] For Duan Baoyans 2 GW kraftværk ville det kræve 328 starter.

sikkerhed

Brugen af ​​mikrobølgeenergioverførsel er et af de mest kontroversielle emner, når man diskuterer et orbital solcelleanlæg. Med de begreber, der i øjeblikket overvejes, er energitætheden i midten af ​​strålen 1 kW / m², hvilket omtrent svarer til solstråling på en skyfri dag. I Japan er grænseværdien for langtidseksponering i det anvendte frekvensområde imidlertid 10 W / m². Derfor skulle adgangen til modtagestationen blokeres, og personale, der arbejder der, skulle bære beskyttelsesbeklædning. Fra en afstand på 2 km fra midten af ​​antennen ville strålingsintensiteten så være under grænseværdien med ideel bundtning.

Det ville være fornuftigt at oprette en flyvefri zone omkring den modtagende station. Hvis et kommercielt fly ved et uheld blev fanget i jetflyet, ville den metalliske ydre hud fungere som et Faraday -bur og beskytte passagererne. Ballonfahrer, Ultraleichtflugzeuge etc. wären jedoch angehalten, die Flugverbotszone beachten. Das von der Gruppe um Susumu Sasaki entwickelte Konzept sieht – trotz der Korrosionsgefahr durch salzhaltige Seeluft – als Standort für den Empfänger eine künstliche Insel mit einem Durchmesser von 3 km in der Bucht von Tokio vor. [3]

Ein häufig vorgeschlagener Ansatz zur Sicherstellung einer korrekten Strahlführung ist die Verwendung einer in die Rectenna integrierten, retrodirektiven Phased-Array-Antenne . Ein „Pilot“-Mikrowellenstrahl, der aus der Mitte der Rectenna auf dem Boden ausgesendet wird, würde eine Phasenfront an der Sendeantenne bilden. Dort würden Schaltungen in jedem der Subarrays der Antenne die Phasenfront des Pilotstrahls mit einer internen Taktphase vergleichen, um die Phase des ausgehenden Signals zu steuern. Dies würde dazu führen, dass der gesendete Strahl genau auf die Rectenna zentriert ist. Wenn der Pilotstrahl aus irgendeinem Grund verloren ginge (zum Beispiel wenn sich die Sendeantenne von der Rectenna wegdreht), würde der Phasenkontrollwert ausfallen und der Mikrowellenstrahl würde automatisch defokussiert. [67] Ein solches System wäre technisch nicht in der Lage, seinen Leistungsstrahl irgendwo zu fokussieren, wo es keinen Pilotstrahl-Sender gibt.

Verschiedene Konfigurationen

Als man um das Jahr 2000 begann, sich ernsthaft mit weltraumgestützter Sonnenenergie auseinanderzusetzen, bemerkte man bald, dass der ursprüngliche Ansatz mit flachen, kilometergroßen Solarzellenflächen wegen des über den Tag wechselnden Einfallswinkels des Sonnenlichts ineffizient und wegen der schieren Größe der Anlagen statisch nicht handhabbar war. Seit John Mankins' SPS-ALPHA-Konzept ( Solar Power Satellite via Arbitrarily Large Phased Array ) von 2012 sind sich alle Beteiligten einig, dass die realistisch erreichbare Nettoleistung eines orbitalen Sonnenkraftwerks bei maximal 2 GW liegt. [68] Alle seriösen Konzepte kommen auf ein Gewicht der Station von etwa 10.000 Tonnen pro Gigawatt.

Üblicherweise leiten Spiegel – bei Mankins in einer Cassegrain-Konfiguration , bei Duan Baoyan als Hohlkugel ausgebildet, bei Susumu Sasaki parallel gegenüberstehend – die aus mehreren tausend Einzelelementen bestehen, das Licht auf ein Solarzellen-Modul. Der dort erzeugte Strom wird an einen Mikrowellensender weitergeleitet. Manche Konzepte verwenden hier eine Sandwich-Konfiguration, bei der Solarzellen, die Elektronik des Senders und die zahlreichen kleinen Dipolantennen in drei aufeinanderfolgenden Schichten angeordnet sind. Dies hat den Nachteil, dass sich die Elektronik des Senders stark erwärmt. Daher schlug Duan Baoyan 2016 vor, das Modul mit Sender und Antenne im Zentrum seiner Hohlkugel anzuordnen; das rotierende Solarzellenmodul wäre über ein etwa 4 km langes Kabel und einen straßenbahnähnlichen Stromabnehmer mit dem Antennenmodul verbunden. [1] Einen radikal anderen Weg wählten Li Meng und Zhang Yiqun. Die beiden Mitarbeiter von Duan Baoyan schlugen 2018 vor, das Sonnenlicht mittels Fresnel-Linsen zu sammeln, im Brennpunkt einer jeden Linse ein Lichtleitkabel anzuordnen und damit das Licht auf ein etwa 800 m entferntes Sandwichmodul zu leiten. [69]

Bei der Übertragungsfrequenz bieten sich 2,45 GHz und 5,8 GHz an, da diese beiden Frequenzen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke reserviert sind. Je niedriger die Frequenz, desto geringer die Dämpfung durch Wolken und Wasserdampf in der Atmosphäre – bei Ländern mit Monsunklima ein entscheidender Faktor. Je höher die Frequenz, desto kürzer – also kleiner und leichter – werden die Dipole in der Antenne. Mankins verwendet 2,45 GHz, Duan und Sasaki 5,8 GHz. [3]

Zumindest bei den ersten Demonstrationsmodellen wird man sowohl die Komponenten für das Kraftwerk als auch den Treibstoff für die Bahnkorrekturtriebwerke auf der Erde herstellen und mit schweren Trägerraketen in den Orbit befördern. Es gibt aber Überlegungen, Teile der Produktion auszulagern:

  • Mondmaterial: Die Verwendung von lunarem Baumaterial ist attraktiv, da der Start vom Mond theoretisch weitaus unkomplizierter ist als von der Erde. Es gibt keine Atmosphäre, so dass Komponenten nicht aerodynamisch verpackt werden müssen. Außerdem sind sie bei einem Start vom Mond weniger Belastung durch Beschleunigungsdruck und Vibrationen ausgesetzt. Vom Mond aus ist eine geostationäre Umlaufbahn mit weitaus weniger Energieaufwand zu erreichen als von der Erde. Dieses Konzept setzt jedoch voraus, dass Raketentreibstoff wie Methan oder Wasserstoff/Sauerstoff aus dem Kometeneis am Südpol des Mondes kostengünstig und in großem Maßstab gewonnen werden kann. [4] Die chinesische Mondsonde Chang'e-7 soll ab 2024 diesbezügliche Erkundungen vornehmen. [70]
  • Asteroidenmaterial: Erdnahe Asteroiden erfordern ein noch niedrigeres Delta v für Starts als der Mond, und einige Materialien, wie zum Beispiel Metalle, könnten dort konzentrierter oder leichter zugänglich sein. Die JAXA hat bereits die Sonden Hayabusa und Hayabusa 2 zu Asteroiden geschickt. Auch im Rahmen der chinesischen Asteroidenmission 2024 sollen diesbezügliche Untersuchungen durchgeführt werden.
  • In-Situ-Fertigung: Eine Herstellung der Stützstrukturen aus kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen mittels 3D-Druck direkt im Weltall erfordert natürlich die Anlieferung von Rohstoffen, würde aber weniger Platz in der Nutzlastverkleidung der Trägerrakete erfordern und daher die Gesamtzahl der nötigen Starts reduzieren. Beim Testflug des bemannten Raumschiffs der neuen Generation im Mai 2020 wurde von einem derartigen Gerät unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit ein Bienenwaben-Gitter hergestellt. [71]

Fiktiv

Raumstationen, die Sonnenenergie übertragen, tauchen in Science-Fiction-Werken wie Isaac Asimovs „Reason“ (1941) auf, das sich um die Probleme dreht, die durch die Roboter verursacht werden, die die Station bedienen. Asimovs Kurzgeschichte „ Die letzte Frage “ behandelt auch den Einsatz von orbitalen Sonnenkraftwerken, um grenzenlose Energie für den Einsatz auf der Erde bereitzustellen. In Ben Bovas Roman PowerSat (2005) versucht ein Unternehmer zu beweisen, dass das fast fertiggestellte Sonnenkraftwerk und das Raumflugzeug seines Unternehmens (ein Mittel, um Wartungsteams effizient zum Kraftwerk zu bringen) sowohl sicher als auch wirtschaftlich tragfähig sind, während Terroristen mit Verbindungen zu erdölexportierenden Ländern alles tun, diese Versuche durch Täuschung und Sabotage zum Scheitern zu bringen. [72]

Verschiedene Luft- und Raumfahrtunternehmen haben in ihren Werbevideos auch zukünftige Solarstromsatelliten vorgestellt, darunter Lockheed Martin [73] und United Launch Alliance . [74]

Im browserbasierten Spiel OGame ist der Sonnensatellit eine von drei Möglichkeiten, Energie zu produzieren.

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c d e f g Duan Baoyan et al.: A novel design project for space solar power station (SSPS-OMEGA). In: researchgate.net. 6. Januar 2016, abgerufen am 4. September 2020 (englisch).
  2. ↑ a b Space-Based Solar Power. In: energy.gov. United States Department of Energy (DOE), 6. März 2014, abgerufen am 6. April 2020 .
  3. ↑ a b c d e Susumu Sasaki: How Japan Plans to Build an Orbital Solar Farm. In: spectrum.ieee.org. 24. April 2014, abgerufen am 4. September 2020 (englisch).
  4. ↑ a b Exploiting earth-moon space: China's ambition after space station. In: chinadaily.com.cn. 8. März 2016, abgerufen am 4. September 2020 (englisch).
  5. ↑ a b c Space‐Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security Phase . National Security Space Office, 10. Oktober 2007, archiviert am 23. Oktober 2008 (PDF).
  6. ↑ Peter E. Glaser: Power from the Sun: Its Future . In: Science . 162, Nr. 3856, 1968, S. 857–61. bibcode : 1968Sci...162..857G . doi : 10.1126/science.162.3856.857 . PMID 17769070 .
  7. ↑ Peter E. Glaser: Method And Apparatus For Converting Solar Radiation To Electrical Power . In: United States Patent 3,781,647 . 25. Dezember 1973.
  8. ↑ Peter E. Glaser, OE Maynard, J. Mackovciak, EL Ralph. Arthur D. Little, Inc.: Feasibility study of a satellite solar power station. NASA CR-2357, NTIS N74-17784, Februar 1974.
  9. ↑ Peter E. Glaser et al.: Feasibility Study of a Satellite Solar Power Station. In: ntrs.nasa.gov. 1. Februar 1974, abgerufen am 9. September 2020 (englisch).
  10. ↑ Superintendent of Documents (Hrsg.): Satellite Power System (SPS) Concept Development and Evaluation Program Plan . July 1977 – August 1980. US Government Printing Office, Washington, DC, Preface, S.   III (englisch, 62 S., nss.org ( Memento vom 5. Dezember 2019 im Internet Archive ) [PDF; 2,2   MB ; abgerufen am 9. September 2020]).
  11. ↑ US Department of Commerce (Hrsg.): Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program . Reference System Report. National Technical Information Service, Springfield, VA (englisch, 322 S., nss.org ( Memento vom 5. Dezember 2019 im Internet Archive ) [PDF; 8,9   MB ; abgerufen am 9. September 2020]).
  12. ↑ a b Statement of John C. Mankins ( Memento vom 10. Dezember 2016 im Internet Archive ). US House Subcommittee on Space and Aeronautics Committee on Science, 7. September 2000.
  13. ↑ National Aeronautics and Space Administration (Hrsg.): Satellite Power System: Concept Development and Evaluation Program . Volume III – Power Transmission and Reception Technical Summary and Assessment. National Technical Information Service, Springfield, VA (englisch, 281 S., nss.org ( Memento vom 26. Oktober 2006 im Internet Archive ) [PDF; 17,7   MB ; abgerufen am 9. September 2020]).
  14. ↑ John C.Mankins: New directions for space solar power . In: Acta Astronautica . Band   65 , Juli–August, 2009, S.   146–156 , doi : 10.1016/j.actaastro.2009.01.032 (englisch).
  15. ↑ Space Solar Power Satellite Technology Development at the Glenn Research Center—An Overview. James E. Dudenhoefer und Patrick J. George, NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio.
  16. ↑ Space Solar Power . Kennedy Space Center , abgerufen am 26. Dezember 2020.
  17. ↑ Hiroshi Matsumoto und Kozo Hashimoto: URSI White Paper on Solar Power Satellite (SPS) Systems and Report of the URSI Inter-Commission Working Group on SPS. (PDF; 1,5 MB) In: ursi.org. S. 89 , abgerufen am 10. September 2020 (englisch).
  18. ↑ Basic Space Law (Law No.43 of 2008). (PDF; 256 kB) In: stage.tksc.jaxa.jp. 27. August 2008, abgerufen am 10. September 2020 (englisch).
  19. ↑ Yasuyoshi Komizo: Japanese Space Policy. (PDF; 315 kB) In: css.unoosa.org. 24. März 2009, abgerufen am 9. September 2020 (englisch).
  20. ↑ Space Policy. In: cao.go.jp. 30. Juni 2020, abgerufen am 9. September 2020 (englisch).
  21. ↑ Basic Plan for Space Policy. (PDF; 3,4 MB) In: kantei.go.jp. 2. Juni 2009, S. 32 f. , abgerufen am 9. September 2020 (englisch).
  22. ↑ Outline of the Basic Plan on Space Policy. (PDF; 392 kB) In: cao.go.jp. 30. Juni 2020, S. 9 , abgerufen am 9. September 2020 (englisch). .
  23. ↑ Susumu Sasaki. In: ieeexplore.ieee.org. Abgerufen am 4. September 2020 (englisch).
  24. ↑ About Artemis Innovation … In: artemisinnovation.com. 2008, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  25. ↑ Naoki Shinohara: Beam Control Technologies With a High-Efficiency Phased Array for Microwave Power Transmission in Japan. (PDF; 4,2 MB) In: ieeexplore.ieee.org. 15. Mai 2013, S. 1456 , abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  26. ↑ Loretta Hidalgo Whitesides: Researchers Beam 'Space' Solar Power in Hawaii. In: wired.com. 12. September 2008, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  27. ↑ Andrew Tarantola: Scientists make strides in beaming solar power from space . In: Engadget . 162, Nr. 3856, 12. März 2015, S. 857–861.
  28. ↑ Japan space scientists make wireless energy breakthrough .
  29. ↑ MHI Successfully Completes Ground Demonstration Testing of Wireless Power Transmission Technology for SSPS. In: mhi.com. 12. März 2015, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  30. ↑ Kobe Shipyard & Machinery Works. In: mhi.com. Abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  31. ↑雍黎: 军民携手让太空电能“下凡”. In: energy.people.com.cn. 7. Januar 2019, abgerufen am 10. September 2020 (chinesisch).
  32. ↑段宝岩: 加快发展空间太阳能电站研究. In: cae.cn. 26. Dezember 2014, abgerufen am 8. September 2020 (chinesisch).
  33. ↑ 两院院士上书发改委 建议在太空建立太阳能发电站. In: solarcell.net.cn. 2. September 2011, abgerufen am 8. September 2020 (chinesisch).
  34. ↑ 段宝岩. In: qxslab.cn. Abgerufen am 8. September 2020 (chinesisch).
  35. ↑ 团队成员. In: qxslab.cn. Abgerufen am 8. September 2020 (chinesisch).
  36. ↑ Shen Guojun et al.: Suppressing Sidelobe Level of the Planar Antenna Array in Wireless Power Transmission. (PDF; 1,9 MB) In: ieeexplore.ieee.org. 23. Januar 2019, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  37. ↑ China plans a solar power play in space that NASA abandoned decades ago . In: CNBC.com . 17. März 2019. Abgerufen am 8. September 2020.
  38. ↑ 空间太阳能电站系统多场、多域、多尺度耦合. In: qxslab.cn. Abgerufen am 8. September 2020 (chinesisch).
  39. ↑ Ming Mei: China to build space-based solar power station by 2035. In: xinhuanet.com. 2. Dezember 2019, abgerufen am 10. September 2020 (englisch).
  40. ↑ Kirsty Needham: Plans for first Chinese solar power station in space revealed. In: smh.com.au. 15. Februar 2019, abgerufen am 10. September 2020 (englisch).
  41. ↑何宗渝、张千千: 我国空间太阳能电站实验基地在重庆启动. In: xinhuanet.com. 7. Dezember 2018, abgerufen am 10. September 2020 (chinesisch).
  42. ↑刘岩、郑恩红: 龙乐豪：要研制长征九号、空间太阳能电站、重复使用飞行器…… In: spaceflightfans.cn. 17. September 2020, abgerufen am 17. September 2020 (chinesisch).
  43. ↑冯毓璇: 西电获批"陕西省空间太阳能电站系统重点实验室". In: news.xidian.edu.cn. 25. Dezember 2018, abgerufen am 12. Oktober 2020 (chinesisch).
  44. ↑ 西安电子科技大学前沿交叉研究院2020年面向海内外招聘人才. In: sxrsksw.com. 21. Februar 2020, abgerufen am 12. Oktober 2020 (chinesisch).
  45. ↑段宝岩: “逐日工程”落地西安. In: snkjb.com. 24. Dezember 2018, abgerufen am 12. Oktober 2020 (chinesisch).
  46. ↑ We Talk To The Scientist Whose Revolutionary Power Beaming Experiment Is Flying On The X-37B . The Warzone, 30. Juli 2020.
  47. ↑ AFRL receives first component of solar-beaming project . Pressemeldung des Air Force Research Lab, 8. Dezember 2020.
  48. ↑ Space-Based Solar Power Project Funded . Caltech, 28. April 2015.
  49. ↑ Momentus Lands Caltech Mission for its New Hosted Payload Service . Via Satellite, 15. Dezember 2020.
  50. ↑ Navy's solar power satellite hardware to be tested in orbit . Spacenews, 18. Mai 2020.
  51. ↑ First test of solar power satellite hardware in orbit . Pressemeldung des Naval Research Laboratory, 18. Mai 2020.
  52. ↑ Congress of the US, Office of Technology Assessment (Hrsg.): Solar Power Satellites . Washington, DC August 1981, LCCN 81-600129 , S.   66 (englisch).
  53. ↑ Space Freighter. In: cannae.com. Abgerufen am 5. September 2020 (englisch).
  54. ↑ 段宝岩院士工作室. In: qxslab.cn. 5. September 2018, abgerufen am 5. September 2020 (chinesisch).
  55. ↑ Wen-Qin Wang: Retrodirective Frequency Diverse Array Focusing for Wireless Information and Power Transfer . In: IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 37, Nr. 1, 2019, ISSN 0733-8716 , S. 61–73. doi : 10.1109/JSAC.2018.2872360 .
  56. ↑ Mahdi Fartookzadeh: On the Time-Range Dependency of the Beampatterns Produced by Arbitrary Antenna Arrays: Discussions on the Misplaced Expectations from Frequency Diverse Arrays . In: ArXiv . 7. März 2019. arxiv : 1903.03508 .
  57. ↑ In space, panels suffer rapid erosion due to high energy particles, Solar Panel Degradation ( Memento vom 29. September 2011 im Internet Archive ), whereas on Earth, commercial panels degrade at a rate around 0.25% a year. In: solarstorms.org . –
    Martin Holladay: Testing a Thirty-Year-Old Photovoltaic Module. In: greenbuildingadvisor.com, 21. Mai 2010, abgerufen am 13. September 2020.
  58. ↑ Kathryn Doyle: Elon Musk on SpaceX, Tesla, and Why Space Solar Power Must Die. In: Popular Mechanics . 4. Oktober 2012 ( popularmechanics.com [abgerufen am 14. Januar 2016]).
  59. ↑ You Tung-Han et al.: Mars Reconnaissance Orbiter Interplanetary Cruise Navigation. (PDF; 2,2 MB) In: issfd.org. 24. September 2007, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  60. ↑ NM Komerath, N. Boechler: The Space Power Grid . 57th International Astronautical Federation Congress, Valencia, Spain Oktober 2006, IAC-C3.4.06.
  61. ↑ Space Utilities. In: hq.nasa.gov. Abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  62. ↑ Pat Beauchamp et al.: Solar Power and Energy Storage for Planetary Missions. (PDF; 2,5 MB) In: lpi.usra.edu. 25. August 2015, S. 11–13 , abgerufen am 9. September 2020 (englisch).
  63. ↑ 长征九号重型火箭新节点：两型发动机整机装配完成，梦想照进现实. In: zhuanlan.zhihu.com. 6. März 2021, abgerufen am 28. Juni 2021 (chinesisch).
  64. ↑ 龙乐豪. In: ysg.ckcest.cn. Abgerufen am 28. Juni 2021 (chinesisch).
  65. ↑ 航天科學家團隊進校園暨當代傑出華人科學家公開講座活動 24/6 (ab 1:50:20) auf YouTube , 24. Juni 2021, abgerufen am 28. Juni 2021.
  66. ↑ Andrew Jones: China's super heavy rocket to construct space-based solar power station. In: spacenews.com. 28. Juni 2021, abgerufen am 28. Juni 2021 (englisch).
  67. ↑ S. Gupta, VF Fusco: Automatic beam steered active antenna receiver . In: 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest , Band 2 1997, ISBN 0-7803-3814-6 , S. 599–602, doi : 10.1109/MWSYM.1997.602864 .
  68. ↑ John C. Mankins: SPS-ALPHA: The First Practical Solar Power Satellite via Arbitrarily Large Phased Array. (PDF; 2,4 MB) In: nasa.gov. 15. September 2012, abgerufen am 11. September 2020 (englisch).
  69. ↑ Li Meng, Zhang Yiqun et al.: A fresnel concentrator with fiber-optic bundle based space solar power satellite design . In: Acta Astronautica . Band   153 , Dezember, 2018, S.   122–129 , doi : 10.1016/j.actaastro.2018.10.037 (englisch).
  70. ↑宋猗巍: 关于开展探月工程四期嫦娥七号任务载荷竞争择优的通知. In: clep.org.cn. 27. August 2020, abgerufen am 7. September 2020 (chinesisch).
  71. ↑ 我国完成人类首次“连续纤维增强复合材料太空3D打印”. In: cnsa.gov.cn. 9. Mai 2020, abgerufen am 7. August 2020 (chinesisch).
  72. ↑ Ben Bova: Powersat (= Ben Bova's grand tour of the universe . Band   9 ). 1st mass market ed. Tor, New York 2006, ISBN 0-7653-4817-9 .
  73. ↑ Lockheed Martin – The Next 100 Years auf YouTube , 8. Februar 2013, abgerufen am 11. September 2020.
  74. ↑ ULA Innovation: CisLunar-1000 auf YouTube , 11. Januar 2016, abgerufen am 11. September 2020.
Abgerufen von „ https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Weltraumgestützte_Solarenergie&oldid=214526024 “