211service.com
Beam det ned
I det ydre rum skinner solen altid klart. Ingen skyer blokerer for solstrålerne, og der er ingen nattetid. Solfangere monteret på en satellit i kredsløb ville således generere strøm 24 timer i døgnet, 365 dage om året. Hvis denne kraft kunne videresendes til jorden, ville verdens energiproblemer måske være løst for evigt.
Solenergisatellitter (SPS) blev oprindeligt foreslået som en løsning på oliekriserne i 1970'erne af den tjekkisk-amerikanske ingeniør Peter Glaser, dengang hos Arthur D. Little. Glaser forestillede sig 50 kvadratkilometer arrays af solceller placeret på satellitter, der kredser 36.000 kilometer over faste punkter langs ækvator. En satellit i den geosynkrone højde tager 24 timer at kredse om jorden og forbliver således fast over det samme punkt på jorden hele tiden.
Ideen var elegant. Fotovoltaiske celler på en satellit ville konvertere sollys til elektrisk strøm, som igen ville drive en indbygget mikrobølgegenerator. Mikrobølgestrålen ville rejse gennem rummet og atmosfæren. På jorden ville en række ensretterantenner, eller rektenner, samle disse mikrobølger og udvinde elektrisk strøm, enten til lokal brug eller til distribution gennem konventionelle forsyningsnet.
Teknologien, som oprindeligt forestillet sig, udgjorde skræmmende tekniske forhindringer. At overføre elektrisk strøm effektivt fra en satellit i geosynkron kredsløb ville kræve en sendeantenne om bord på satellitten omkring en kilometer i diameter og en modtageantenne på jorden omkring 10 kilometer i diameter. Et projekt af denne skala forvirrer sindet; offentlige finansieringsorganer undgik at investere enorme summer i et projekt, hvis levedygtighed var så uklar. NASA og Department of Energy, som havde sponsoreret foreløbige designundersøgelser, mistede interessen i slutningen af 1970'erne.
I de sidste par år har kommunikationsindustrien imidlertid annonceret satellitprojekter, der tyder på, at tiden er inde til at revidere idéen om solenergisatellit. I begyndelsen af det næste århundrede vil sværme af kommunikationssatellitter kredse om jorden i lav højde og videresende stemme, video og data til de fjerneste steder på jorden. Disse satellitter vil videresende kommunikationssignaler til jorden på stråler af mikrobølger. Transmissionen af elektrisk kraft med en stråle af mikrobølger blev demonstreret allerede i 1963, og projicering af effekt og data langs den samme mikrobølgestråle er godt inden for den nyeste teknologi. Hvorfor ikke bruge den samme stråle til at bære elektrisk strøm?
De nye kommunikationssatellitter vil kredse i en højde af kun et par hundrede miles. I stedet for at svæve over et sted på ækvator, svæver satellitter i lavt kredsløb rundt om kloden på så lidt som 90 minutter, og sporer stier, der svinger rundt om ækvator, og stiger og dykker så mange som 86 breddegrader. Fordi de er tættere på jordens overflade, kan solfangerne på satellitten være et par hundrede meter på tværs i stedet for 10 kilometer. Og fordi de mikrobølgestråler, de genererer, ville sprede sig meget mindre end dem fra geosynkrone satellitter, kunne jordrektennerne også være tilsvarende mindre og billigere. Ved at piggybacke til disse flåder af kommunikationssatellitter - og drage fordel af deres mikrobølgesendere og -modtagere, jordstationer og kontrolsystemer - kan solenergiteknologi blive økonomisk rentabel.
Lavt kredsløb om jorden udgør dog sine egne vanskeligheder. Fordi de pisker rundt på planeten så hurtigt, skal satellitter i lav kredsløb have sofistikerede computerstyrede systemer til at justere mikrobølgestrålens sigte, så den lander ved modtagestationen. Disse satellitter bliver nødt til at bruge sofistikerede elektroniske systemer, kaldet phased arrays, for kontinuerligt at retarge den udgående stråle.
Energi til udvikling
Efterspørgslen efter rumbaseret solenergi kan være ekstraordinær. I 2050 vil 10 milliarder mennesker ifølge nogle skøn bebo kloden - mere end 85 procent af dem i udviklingslande. Det store spørgsmål: Hvordan kan vi bedst forsyne menneskehedens voksende energibehov med den mindste negative påvirkning af miljøet?
Leder efter en billig lancering
En vigtig overvejelse ved planlægning af rumkraft er omkostningerne ved at sætte en satellit i kredsløb. Lige nu koster det tusind gange mere at sætte et objekt ud i rummet end at flyve det tværs over landet med et kommercielt fly, selvom de to job kræver nogenlunde den samme mængde energi - omkring 10 kilowatt-timer pr. kilo nyttelast. To faktorer tegner sig for de ekstra omkostninger: hæren af ingeniører og videnskabsmænd, der kræves for en vellykket rumopsendelse, og praksis med at kassere meget af løfteraketten efter hver flyvning.
Opsendelsesomkostningerne vil dog sandsynligvis falde, da efterspørgslen stiger for at hejse store mængder materiale ud i rummet med jævne mellemrum: Jo hyppigere et opsendelsessystem bruges, jo lavere er omkostningerne pr. brug. Desuden søger NASA en ny generation af genanvendelige løfteraketter. Agenturet sponsorerede for nylig en konkurrence blandt rumfartsentreprenører om et rumfartøj med potentiale for flyselskabslignende drift. Vinderen blev Lockheed Martin Skunk Works, legendariske innovatører inden for flydesign fra U-2 til Stealth-jagerflyet. Lockheed Martin planlægger at bygge og teste den 1 milliard dollars kileformede genanvendelige X-33 - en halv størrelse, en ottendedel masse af en løfteraket kaldet Venture Star, der ville erstatte rumfærgen til at sejle fragt i lav kredsløb. Målet for lanceringen er $2.200 pr. kilogram-en tiendedel af en shuttle-lancering. Til den pris kunne rumkraft blive omkostningseffektiv, hvis satellitter trækker dobbelt-pligt som kommunikationsrelæer og solenergikilder.
En solenergisatellit burde hurtigt betale den energi tilbage, der er nødvendig for at sætte den i kredsløb. Start med den konservative antagelse, at solenergi-satellitteknologi ville producere 0,1 kilowatt elektricitet på jorden pr. kilogram masse i kredsløb. I så fald ville energiforbruget på 10 kilowatt-timer pr. kilogram til at løfte satellitten i kredsløb blive tilbagebetalt i elektricitet efter kun 100 timer - mindre end fem dage.
En måde at holde lanceringsomkostningerne nede er at bruge en oppustelig struktur som solfanger. At gøre det ville maksimere solfangerens overfladeareal - vigtigt for at indsamle den største mængde solenergi - uden at pålægge løfteraketten en større vægtbelastning. Tømte solfangere kunne foldes sammen til et kompakt rum om bord på rumfartøjet; en gang i kredsløb, ville gas fra en trykbeholder puste strukturen op.
Balloner i rummet er en gammel historie. Faktisk var 1960-årgangssatellitten kendt som Echo I en ballon, der blev brugt til at kaste radiobølger tilbage til Jorden. NASA studerer nu gennemførligheden af oppustelige strukturer i rummet til antenner, parasoller og solarrays, dog ikke eksplicit for solenergi-satellitsystemer. En vigtig eksperimentel milepæl var den vellykkede indsættelse af rumfærgen Endeavour-astronauter i maj 1996 af Spartan Inflatable Antenna Experiment - en 14 meter lang antenne pustet op af en nitrogengasbeholder i kredsløb.
Det er ikke så stort et skridt fra sådan et eksperiment til en solfangende satellit, der kunne samles i kredsløb fra oppustede segmenter. Hvis NASA gjorde forskning i oppustelige rumstrukturer til en høj prioritet, kunne videnbasen til at lave omkostningseffektive lavmassestrømsatellitter udvikle sig hurtigt.
Et skridt ad gangen
Til at begynde med ville solenergien, der blev relæeret fra rummet, kun bruges til at levere den minimale elektriske strøm, der er nødvendig for at køre modtagestationens elektronik på jorden - meget på samme måde, som linjestrømmen driver konventionelle telefoner. I sidste ende ville satellitterne sende større mængder strøm ned, hvilket kunne levere de megawatt elektricitet, der ville bidrage væsentligt til at drive en landsby eller endda en by.
Opskalering til højere effektniveauer ville være ligetil, hvilket blot indebærer udbredelse af en større mængde solopsamlingsområde i rummet. Strøm vil blive transmitteret gennem infrastrukturen af sendere og modtagere, som så vil være på plads til satellitkommunikationssystemerne. I denne henseende har mikrobølgetransmission en afgjort fordel i forhold til konventionelle kabelmetoder til at overføre effekt. Et mikrobølgesystem, der er 80 procent effektivt til at sende 1 kilowatt, vil stadig være 80 procent effektivt til at sende 1 megawatt. Dette er fundamentalt forskelligt fra en elforsyningstransmissionslinje, hvor du har brug for tykkere og dyrere ledninger for at bære mere strøm. Hvis der føres for meget strøm gennem et kabel, vil det smelte isoleringen.
Nogle frygter, at et netværk af solenergisatellitter kan forvandle atmosfæren til én stor mikrobølgeovn, der tilbereder alt, hvad der vandrer ind i strålens vej. I virkeligheden ville mikrobølgeintensiteterne, som vi foreslår, være størrelsesordener under den tærskel, hvor genstande begynder at varme op. Folk ville blive udsat for mikrobølgeniveauer, der kan sammenlignes med dem fra mikrobølgeovne og mobiltelefoner. Mens nogle kritikere spekulerer i, at mikrobølger udgør ikke-termiske trusler mod menneskers sundhed, er der ingen pålidelige epidemiologiske beviser for negative virkninger fra mikrobølger ved disse lave niveauer. Højere niveauer af mikrobølgestråling ville blive fundet ved de rektenner, som strålerne er fokuseret på, men hegn og advarselsskilte kunne afgrænse disse områder med mulig fare. Men ifølge vores beregninger ville mikrobølgeintensiteter selv ved omkredsen af rektenna falde inden for det område, som nu anses for sikkert af Arbejdstilsynet.
Et større potentielt problem er at dele de begrænsede frekvenser i mikrobølgespektret. Motorola er for eksempel kommet under beskydning, fordi dets planlagte system vil anvende frekvenser i intervallet 1,616 til 1,626 gigahertz, hvilket næsten overlapper 1,612 gigahertz-frekvensen, som astrofysikere tuner ind på, når de indsamler data om kosmos. Radioastronomer bekymrer sig om, at interferens fra en solenergisatellit vil overvælde de forholdsvis svage signaler, de søger at opdage. Motorola lover at begrænse afsmitningen af sine kommunikationsstråler til radioastronomernes frekvensniche, men problemet understreger det faktum, at mikrobølgespektret er en begrænset ressource, der nidkært bevogtes af både kommercielle og nonprofitbrugere. Allokering af spektret skal behandles hurtigt og effektivt for at undgå foregribelse af rumkraftteknologi, før den bliver født.
Hvorvidt solenergisatellitter bliver en realitet, vil i sidste ende afhænge af telekommunikations- og elforsyningsselskabernes vilje til at gå ind i rumenergibranchen. Indtil videre har ingen af brancherne vist den store interesse. Men så er de for det meste uvidende om de kommercielle muligheder. Man skal vide, at der findes en mulighed for at vælge det. For 30 år siden var kommunikationssatellitter en nyhed. For ti år siden havde ingen hørt om internettet.
Hvad der er sikkert, er, at det nuværende fremstød for deregulering har ført til en kamp fra telekommunikations-, computer-, kabel-tv- og forsyningsindustriens side for at komme ind på hinandens markeder. Nogle elselskaber ønsker at gå ind i telekommunikationsbranchen som en måde at udnytte de enorme investeringer i ledninger og kabler, der når stort set alle bygninger i landet. Det giver lige så mening at foreslå, at kommunikationsvirksomheder går ind i elbranchen. I praksis kan konsortier af el- og kommunikationsselskaber udvikle den foreslåede teknologi sammen.
Intet enkelt stykke af denne teknologi udgør en grundlæggende stopklods. Fysikken i fotovoltaiske celler og mikrobølgegenerering er godt forstået. For at gå videre til næste trin vil det dog kræve en demonstration af, at alle dele af dette system kan arbejde sammen: solpanelerne, de fasede mikrobølgeantenner, de modtagestationer, der adskiller datasignalerne fra strømstrålerne, og computere, der fortæller satellitterne, hvor på jorden de skal rette strålerne. NASA kunne accelerere denne udvikling gevaldigt ved at placere en prototype af en solenergisatellit i kredsløb.
Fordelene er for store til at gå væk fra. Et netværk af solenergi-satellitter som det, vi foreslår, kunne forsyne jorden med 10 til 30 billioner watt elektrisk strøm - nok til at tilfredsstille menneskehedens behov gennem det næste århundrede. Solenergisatellitter tilbyder således en vision, hvor energiproduktionen bevæger sig væk fra jordens overflade, så alle kan leve på en grønnere planet. Overvej de filosofiske implikationer: Menneskeheden behøver ikke længere se sig selv fanget på rumskibet jorden med begrænsede ressourcer. Vi kunne udnytte rummets grænseløse ressourcer, med planeten bevaret som en uvurderlig ressource af biodiversitet.