Was dauert es Farm Sonnenlicht aus dem Weltraum

Egal, ob sie erzeugen Spannung direkt von Sonnenstrahlen oder konzentriert, um Salz wie Ivanpah schmelzen, sind sogar Erde der größte und dickste Solarkraftwerke von dieser verdammenswerte Atmosphäre in die Quere gelähmt. Aber eine neue Art von off-Welt Solaranlage könnte bald den ganzen Planeten mit viel Power – wir müssen nur beenden, herauszufinden, wie zu bauen und zu betreiben.

Energieproduktion in Spaaaaaaaace!

Mit dem Aufkommen der Silizium-basierten Photovoltaik-Solarzellen – die Art, die direkt Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln – vor 60 Jahren Forscher sofort sah in den Himmel als der ideale Ort, um Sonnenenergie zu sammeln. Dort oben müssen Sie nicht Meilen und Meilen von Atmosphäre und Wolken Absorption, Streuung oder Ausblocken einfallenden Strahlen der Sonne. Das heißt Photovoltaik-Module denkbar sollten, werden zu betreiben (oder ganz in der Nähe) ihre theoretische Wirkungsgrad Grenzen. Plus, wenn Sie einen Solarstrom-Satelliten (SPS) richtig über dem Äquator positioniert, es wird nur für ein paar Stunden jedes Jahr in den Schatten der Erde befinden und damit fast nonstop-Energie.

Die Idee der weltraumgestützte Solarenergie (SBSP) wurde formalisiert in der bahnbrechenden 1968 Bericht, Strom aus der Sonne: die Zukunft von amerikanischen Luft-und Raumfahrt Ingenieur Peter Glaser. Das Papier dargelegten ein konzeptuelles System für ungehinderten Solarenergie aus massiven extra atmosphärischen Arrays von Photovoltaik-Zellen Satz im geostationären Orbit über dem Äquator zu sammeln, und überträgt sie drahtlos auf die Erde zurück, würde es von terrestrischen Netze genutzt werden. In der Theorie, mit genügend umkreisen "Solarparks," könnte den Energiebedarf der nicht nur die USA sondern die ganze Welt erfüllt werden.

In seinem Vortrag argumentierte Glaser, Bau, Start und Betrieb solch ein Kraftwerk derzeit außerhalb der Reichweite der Wissenschaft zu der Zeit war, diesen technologischen Fortschritt greifbar in den kommenden Jahren und Jahrzehnten wäre. Also, sind wir näher auf die ganze Welt von ihrer Energie leiden mit Solarparks umkreisen, als wir zu Beginn des Raumfahrtzeitalters waren zu befreien? Sicher, aber wir haben noch einiges zu tun, bevor, was tatsächlich geschieht. Konkret gibt es eine Anzahl Aspekte, die wir vor etwas ausbügeln müssen wie dies tatsächlich zum Tragen kommt.

Starten Sie das Programm

Die erste Ausgabe ist die Tatsache, dass einer handelsüblichen SPS einfach gigantische wäre. Um eine GW Strom zu produzieren, müssten Sie eine massive Sammelgebiet 0,5 Kilometer lange von 5,2 Kilometer Breite und einem Gewicht von zig Tausend Tonnen. Egal wie dicht man es hochklappen gibt es einfach keine Möglichkeit, eine voll ausgebildete SPS von der Oberfläche der Erde in den Orbit angesichts unserer aktuellen Start-Fähigkeiten, die kostspielig wäre.

Also, zum Beispiel nehmen wir an, dass ein standard Solar-Panel ca. 20 kg pro kw wiegt. Einschließlich der notwendigen Unterstützung und Getriebekomponenten, würde ein 4 GW Kapazität keine satte 80.000 Tonnen wiegen. Fast 9.000 Atlas-V-Raketen (jeweils mit einer max. anhebende Fähigkeit von 8.900 kg, GEO) müsste es diese Struktur aus Erde Schwerkraft Griff oder mindestens 9.000 Touren zu geostationären Umlaufbahn und Rücken und irgendwo in der Nachbarschaft von $ 320 Milliarden Kosten frei. Das ist nur zu den Sonnenkollektoren in Position, nicht zu montieren oder zu betreiben – nur um sie dort zu bekommen. Es ist auch die Buchhaltung für die ökologischen Auswirkungen der alles, was die Raketenstarts.

Während wieder verwendbaren Raum Trägersysteme wie x Dragon Raumkapsel nur einen Bruchteil von dem, was eine Atlas V können heben können, könnte jedoch ihre kostengünstige Natur erhebliche Kosteneinsparungen und drastisch verkürzten Bearbeitungszeiten bieten das Projekt heute versucht werden sollte. Ähnlich, da wir nicht hetzen sind, um eine andere Nation auf den Stempel schlagen (etwas von dieser Größenordnung fordern die finanzielle und technologische Unterstützung jeder Nation auf der Erde), könnte langsamer aber kostengünstiger effiziente Bereitstellungsmethoden wie Ionenantriebe auch Shuttle Materialien von Low Earth Orbit bis zur geostationären Umlaufbahn der Erde eingesetzt werden. Im wesentlichen würden LEO eine Staging-Bereich, wo Materialien bis zu GEO durch eine Flotte von als-der-noch-arrangiert Raum Transportfahrzeuge zupfte sein würde.

Eine sekundäre Option in den 1970er Jahren von dem amerikanischen Physiker Gerard O'Neill vorgeschlagen würde die hohe Kosten der Materialien von der Erde durch den Bau von der SPS aus Materialien, die auf dem Mond abgebaut stattdessen starten vermieden werden können. Dies würde angeboten haben bedeutende Start Kosteneinsparungen weit geringeren Schwerkraft des Mondes gegeben, aber NASA zum erfinden und Bereitstellen von Masse Treiber (elektromagnetische Schienengeschütze entwickelt, um Pakete in den Raum werfen) erfordert hätte auf der Oberfläche des Mondes. Obwohl dies scheint, wie es, eine Hölle Kosten würde von viel mehr als nur mit Raketen, ein 1979 Bericht von General Dynamics Convair Abteilung geschätzt, dass mit lunar Ressourcen kosteneffektiv wäre sollen wir bauen aus 30 oder so 10GW SPS – für eine Gesamtkapazität von 300 GW, oder genug, um die geplanten US-Strombedarfs in den Zeitraum 2000-2030 gerecht zu werden.

Bauen Sie

Konzept-Bild von einem Solarkollektor über NSS.org

Also auch wenn es uns gelingt, diese Zehntausende von Tonnen von Material in den Orbit zu bekommen, würde die nächste Ausgabe es alle zusammen setzen. Dies kommt natürlich mit einem eigenen Satz von Herausforderungen. Die Struktur müssten zum Beispiel nicht selbst gegen die Schwerkraft oder die Elemente zu unterstützen, wie terrestrische basierende Kraftwerke, aber zur Abwehr von Micrometeors und Sonneneruptionen hätte.

Es gibt auch die Frage , wer würde es bauen. Bei der NASA einen Blick auf das Thema in den späten 1970er Jahren nahm, erforderliche Bauzeit auf rund 30 Jahre geschätzt. Drei Jahrzehnte der Bauzeit. Wir können kaum Schritt halten gut ausgebildete Astronauten auf der ISS für mehr als ein Jahr, und ein solches Projekt müsste entweder eine regelrechte Armee von orbital Arbeitern (wir reden eine New-Deal-Skala-Belegschaft) ständig hin und her pendelte, an die Oberfläche, oder wir bräuchten eine Armee von Robotern, um dasselbe zu tun.

NASA 1970er Jahren Lösung war eine Flotte von "Strahl-Generator" Roboter zu Rollen und Platten aus Aluminium in Dachstühlen zig Kilometer lang. Diese Methode würde ein Aufsichtsrat Skeleton Crew die notwendigen Arbeitskräfte der Menschen verringern, was wiederum Training, Betriebs-und Haftung zu minimieren würde. Aber auch mit großzügigen Schätzungen der Mechanisierung Fähigkeiten zur Zeit, NASA geschätzt es müssten mindestens 1.000 Vollzeit Astronauten auf Seite zu einem bestimmten Zeitpunkt – das ist wiederum nur zählen, Astronauten, nicht die zusätzliche Ärzte, Köche, Reiniger und andere Service-Arbeiter würden sie benötigen, um Leben in Orbit oder die große Menge an Ressourcen (Luft, Wasser und Nahrung), die sie verbrauchen würde.

NASA schätzt, dass die Anzahl der Helfer die Erbauer um den Faktor 10: 1 überwiegen würde. Und obwohl dies ein massiv teures Unterfangen wäre, es würde auch eröffnen eine riesige neue Industrie für alle, die mutig genug sind, arbeiten und Leben 22.000 Meilen bis.

Pflegen Sie

Nicht zu den Karren vor das Pferd, aber davon aus, dass wir es irgendwie schaffen, eine SPS zu konstruieren, könnte es schwierig sein, aus dem Himmel fallen zu halten. Der ISS beispielsweise die größte umkreisen künstliche Satellit in Existenz nachgefüllt verwendet regelmäßig Gas Antrieb zu verhindern, dass seine Umlaufbahn tödlich erniedrigender. Aber angesichts der monströse Größe dieser Kraftwerke, hätten wir eine neue, effizientere Mittel halten sie empor zu entwickeln.

Leichtes Sonnensegel sind als eine Lösung, die Sonnen-Strahlen oder durch bodengestützte Laser und Radio Energy aufgestützt vorgeschlagen worden. Diese Energie würde im Wesentlichen den Planeten Schwerkraft entgegenzuwirken und schieben die SPS nur hart genug, um zu verhindern, dass es fallen zurück auf die Erde. Aber wir sind immer noch Jahre davon entfernt solche Technologie leicht verfügbar sein.

Eine andere Lösung, die ein bisschen näher an der Realität ist, ist solar erzeugte konvertieren, DC power in Mikrowellen und strahlen diese Energie bis zu den Satelliten zur operativen Versorgung. Forscher spielen schon seit den 1980er Jahren mit dieser Technologie, und JAXA (Japans Raumfahrtagentur) kürzlich angekündigt, dass eine vorgeschlagene kleine SPS diese Methode verwenden kann, wenn es online-im Jahr 2040.

Get It Back

Bei weitem der größte Stolperstein für SPS-Technik bezieht es aus dem Weltraum an Ihre Steckdose zu erhalten – es ist nicht so, dass wir nur eine riesige Verlängerungskabel dort oben ausgeführt werden können. Stattdessen müssen wir auf einen Neuling Antriebstechnik, bekannt als "drahtlose Energieübertragung" verlassen (WPT). WPT wandelt Gleichstrom in Mikrowellen-Frequenz und schießt es an einen entfernten Empfänger, wo es wieder in Strom umgewandelt und an das Stromnetz hinzugefügt – im Grunde das Gegenteil von was wir verwenden würden, um die SPS empor, zu halten, wie oben beschrieben.

Diese Technik ist viel näher an Wissenschaft als Fiktion. Es wurde erstmals im Jahre 1964 nachgewiesen als amerikanischer Elektroingenieur William C Brown Mikrowelle Strahl-angetriebene Hubschrauber für Walter Cronkite auf CBS Evening News unter Beweis gestellt. Spätere Entwicklungen von Raytheon in den 1970er Jahren sah Mikrowellen 30kW Energie im Laufe von einer Meile mit 84 Prozent Effizienz zu übertragen. Und während ein 5 GW Strahl massive Arrays Empfänger Gerichte verteilt über große unbewohnte Gebiete des Planeten erfordern würde, der UN Non-Profit-SunSat Energy Council hat erklärt, dass diese Art der Strahl so niedrige Dichte wäre, dass es nicht in der Lage, Tier- und Pflanzenwelt zu Schaden. Sie würde keine Kätzchen in einem Mikrowellen-Effekt zu erhalten, wenn Sie durch diesen Strahl ging – in der Tat, es würde angeblich wärmen Ihre Haut weniger als natürliche Strahlen der Sonne würde.

WPT Technologie durchaus möglich ist, gibt es eine Reihe von notwendigen Faktoren um es plausibel zu machen. Faktoren wie wie Sie in erster Linie das Mikrowellensignal generieren würde. In den 1970er Jahren, als NASA zuerst das Problem ansah, verwendet den Stand der Technik noch Vakuumröhren. Heute, Halbleiter-Verstärker bieten überlegene Effizienz zu einem niedrigeren Preis, sondern auf 1 GW Ebene eine SPS müsste irgendwo um 100 Millionen solcher Geräte um ein mächtig genug Signal zu erzeugen.

Es gibt auch die Frage der spezifischen Frequenz nimmt der Strahl, die damit es mit vorhandenen Technologien stören. Irgendwo in der 1-10 GHz ist Bereich (rund 5,8 GHz) sehr wahrscheinlich, angesichts der Notwendigkeit, das Gleichgewicht zwischen Antennengröße und atmosphärische Eindringen Fähigkeiten sowie Buchhaltung für bestehende Band Verwendung.

Dann ist das Problem mit dem Ziel das verdammte Ding, eine Empfänger Gericht 36.000 km zu schlagen. Sie wäre nicht in der Lage, es zu tun mit einer Antenne. Eine SPS müsste eine massive Anzahl von kleineren koordiniert und synchronisiert Antennen (bis zu 1 Milliarde pro Satellit durch einige Schätzungen) jeweils genau eine 3 km breite gleichrichtende Antenne auf dem Boden, und mit einer Genauigkeit von 10 µrad (und einen Wirkungsgrad von etwa 85 Prozent) gerichtet. Das ist ein beispielloses Maß an Genauigkeit – nicht einmal die Strahl-Linie-Toleranzen am CERN sind so eng. Für alle Absichten und Zwecke, ist es zu diesem Zeitpunkt außerhalb unserer Fähigkeiten.

Wohin fährt man von hier aus

Dies mag zwar eine Herkulesaufgabe genauso erscheinen wie es in den 1970er Jahren war, könnte SBSP gut eine tragfähige Energiequelle innerhalb unseres Lebens geworden. Japan hat bereits angekündigt, eine eigene SPS innerhalb der nächsten 25 Jahre zu bauen. Die rasante Entwicklung der erneuerbaren Energien in den letzten zehn Jahren und die Verschiebung von öffentlichen private Raumfahrt gegeben — ganz zu schweigen von dem wachsenden Bedürfnis nach mehr und sauberer Energie — die Sterne könnte bald zu Gunsten dieses ehrgeizige Projekt ausrichten. [IEEE - Wiki 1, 2 - Marine Research Lab - NSS - NRL - Kabel 1, 2 - NOVA]