Den Internationella rymdstationen är vår hittills största ingenjörsbedrift i rymden, men enligt det europeiska rymdorganet, Esa, ska vi tänka större, mycket större.
Forskarna från Esa ska nämligen stänga jordens omättliga törst på grön el genom att placera gigantiska solcellsanläggningar i rymden. Anläggningarna ska kretsa på 36 000 kilometers höjd och förse en miljon europeiska hem.
Det låter kanske som en vansinnig idé att bygga en 15 kvadratkilometer stor solcellspark i rymden, men vi har redan den tekniker som krävs, liksom analyser visar att fördelen i form av ren energi kommer att vara så stor att det uppväger de ekonomiska nackdelarna med konstruktionen.
"Rymdbaserad solenergi skulle vara ett viktigt steg på vägen mot koldioxidneutralitet och energioberoende för Europa." Josef Aschbacher, generaldirektör på Esa
Därmed inte sagt att Solaris, som projektet har döpts till, är lika lätt som att klia sig i nacken. De ingenjörsmässiga utmaningarna står på kö för hur en konstruktion stor som 2 000 fotbollsplaner ska vecklas ut i rymden? Och hur ska elen föras ned på jorden?
För att hitta svaret har Esa grävt fram en 55 år gammal idé ur skrivbordslådan.
Atmosfären avvisar solljuset
Idén att placera solceller i rymden är nämligen inte ny. År 1968 lade den amerikansk-tjeckiske rymdingenjören Peter E. Glaser fram ett koncept, som gick ut på att använda satelliter till att skörda solenergi, som sedan skulle sändas ned till jorden.
Glaser upptäckte nämligen att det finns flera avsevärda fördelar med att flytta ut solcellsanläggningar från jorden, även om de blir svåra att installera och underhålla.
Först och främst reflekterar jordens atmosfär tillbaka en stor del av solljuset till rymden. Cirka 30 procent av ljuset når därför aldrig ned till de traditionella solcellerna på jordytan.
Samtidigt kan dimma och moln skapa ett fenomen kallat diffusion, som sprider och böjer av det direkta solljuset. Solljuset är därför cirka tio gånger mer intensivt högst upp i atmosfären än nära jordytan. Ju längre bort solcellerna kommer från jordytan, desto mer effektivt kan solens energi alltså skördas.
Sist, men absolut inte minst, kan solceller i rymden även avhjälpa de jordbundna solcellernas största problem: mörker.
36 000 kilometer ovanför jordytan, där solen nästan alltid skiner, ska solcellsparken konstrueras.
I en så kallad geostationär bana, där solcellsparken följer samma punkt på jordytan, kommer solcellerna på 36 000 kilometers höjd att träffas av solens strålar 99 procent av tiden.
Den stora mängden energi ska därefter omvandlas till elektricitet och skickas till jorden. Det är inte problemfritt, eftersom elen inte kan transporteras via elnätet, utan i stället måste överföras trådlöst.
Peter E. Glaser hade faktisk även ett förslag på hur denna trådlösa överföring kan ske. Han ville nämligen transportera elen med hjälp av elektromagnetiska vågor.
El omvandlas till mikrovågor
Elektronerna som skapas när solljuset träffar solcellerna, kan inte skickas till jorden i sin ursprungliga form. Men om de exempelvis omvandlas till mikrovågor kan energin överföras över flera tusen kilometer.
Principen är densamma som i en mikrovågsugn, där elektronerna leds genom en så kallad magnetron och omvandlas till mikrovågor. De leds sedan ut i en antenn och skickas mot jorden.
Solenergi överförs trådlöst till jorden
Den gigantiska solcellsparken ska byggas högt över atmosfären. Där ska solcellerna omvandla solenergin till el, som sedan omvandlas till mikrovågor.
1. Solstrålar fångas upp dygnet runt
Solcellsparken ska placeras 36 000 kilometer över jorden, där det finns obehindrad tillgång till solens strålar så gott som dygnet runt. Omloppsbanan säkerställer att solcellsparken alltid följer samma punkt över jorden. Där placeras mottagningsstationen.
2. Solsken omvandlas till mikrovågor
Solcellerna producerar el, som förs genom en så kallad magnetron – av samma slag som finns i mikrovågsugnar. Magnetronen skapar ett magnetfält och när elektronerna från solcellsenergin kommer in i fältet om vandlas den till mikrovågor.
3. Solenergi skickas till jorden
Med hjälp av en antenn transmitteras mikrovågorna ned mot mottagningsanläggningen på jorden. Mikrovågorna skickas med låg energi, vilket innebär att de inte är skadliga för djur eller människor som måste förflytta sig in i strålens fält.
4. Mikrovågor omvandlas till el
På jorden befinner sig en mottagarstation, som upptar 71 kvadratkilometer. Mottagarstationen består av så kallade rektenner, som omvandlar mikrovågorna tillbaka till elektricitet, som via elnätet leds ut till konsumenterna.
Fördelen med mikrovågorna är att de med sina korta våglängder på en meter till en millimeter passerar i stort sett obehindrat ned till jordytan utan att bromsas av atmosfärens molekyler.
Ännu har dock ingen lyckats med att skicka mikrovågor över så stora avstånd, men sedan 2020 har ett försök med solceller ombord på ett rymdflygplan omvandlat solenergi till mikrovågor. Resultatet av försöket ska offentliggöras under 2023.
På jorden mottas mikrovågorna av så kallade rektenner, en speciell typ av antenn som omvandlar den elektromagnetiska energin i mikrovågorna till likström. En sådan mottagarstation ska enligt beräkningar som gjorts för Esa täcka ett område på 71 kvadratkilometer.
En annan möjlighet är att omvandla elektriciteten från rymdsolcellerna till laserljus, som riktas direkt mot en solcellspark på jorden. Där ska solcellerna på klassiskt sätt kunna omvandla laserljuset till elektricitet.
Sedan 2020 har en 30 centimeter stor solcellspanel omvandlat el till mikrovågor ombord på ett obemannat rymdflygplan. Panelen har utvecklats av den amerikanske elektroingenjören Paul Jaffe.
Oavsett vilken metod ingenjörerna väljer är överföringen av energi de rymdbaserade solcellernas största svaghet, för när elektricitet omvandlas till mikrovågor och tillbaka igen kommer det oundvikligen att uppstå en energiförlust.
Rymdsolcellerna blir dessutom bara ett komplement till andra gröna energikällor, eftersom beräkningar visar att det kommer att kräva 20-25 rymdbaserade solcellsanläggningar för att täcka tio procent av EU:s uppskattade elbehov år 2050.
Solceller viks som origami
Även om hela konceptet kan låta som science fiction, så understryker Esa att de tekniska lösningarna bakom solceller i rymden redan finns. Den största utmaningen blir därför att bygga en konstruktion i rymden i en skala som aldrig tidigare har skådats.
I dag är rymdens största ingenjörsbedrift den Internationella rymdstationen, ISS, som inklusive sina solcellspaneler är omkring lika stora som en fotbollsplan – det vill säga cirka 7 100 kvadratmeter. Det kan jämföras med att en solcellspark i rymden ska ha en areal på mer än 15 kvadratkilometer, vilket är mer än 2 000 gånger så stort.
15 kvadratkilometer stor kommer den kosmiska solcellsparken att bli – lika stor som 2 000 fotbollsplaner.
Enligt studier kommer projektet ta fem till tio år att utveckla, medan de robotar som ska installera solcellsparken i omlopp runt jorden, fortfarande kommer att ta 10 till 20 år att konstruera.
Robotarna ska antingen fjärrstyras från jorden eller på egen hand sammansätta konstruktionens cirka två miljoner komponenter, som omfattar solcellspaneler, sensorer, motorer och mikrovågssändare.
Kan konkurrera med kärnkraft
För att underlätta arbetet med att frakta de många komponenterna ut i rymden är forskare hos Caltech i USA genom att utveckla en ny sorts ultratunna, vikbara solcellspaneler.
Den avancerade solcellsfilmen levererar 50-100 gånger mer effekt per kilo jämfört med traditionella solceller och är monterade på ett tunt och starkt kompositmaterial. Det tredje lagret i den millimetertunna konstruktionen är antennerna, som är monterade direkt på baksidan.
Solceller ska vikas ihop
En solcellspark på 15 kvadratkilometer upptar extremt stor plats. För att minimera raketuppskjutningarna har forskare vid Caltech i USA utvecklat en ultratunn rulle av kolfiber belagd med en solcellsfilm. I mitten av rullen ombesörjer en motor att spola ut filmen till full storlek, när konstruktionen har intagit sin plats i omlopp runt jorden och är redo att suga till sig solstrålarna.
I rymden kommer vikbara solceller att vara praktiska, eftersom de kan packas mycket tätt och lastas i en enda rymdraket, varpå de viks ut i omlopp över jorden. Caltech-forskarna föreställer sig en solcellsanläggning bestående av vikbara solcellspaneler på 60 gånger 60 meter sammansatta i en större konstruktion.
Som med andra energitekniker handlar framgången eller misslyckandet med rymdbaserad solcellsenergi till slut om vad det kostar att producera en kilowattimme till elkunderna.
Även om det är dyrt att bygga solcellsanläggningarna – priset uppskattas uppgå till 13 miljarder euro bara i byggkostnader för den första anläggningen – så kommer priset att minska med tiden. Och eftersom anläggningarna har direkt tillgång till solljuset dygnet runt kan kilowattimpriset med tiden konkurrera med både kärnkraft och sol- och vindenergi på jorden.
Därmed är Peter E. Glasers 55 år gamla idé från skrivbordslådan snubblande nära att bli verklighet. Dessvärre hinner upphovsmannen inte själva vara med om att få rymdel i sin stickkontakt. Glaser avled 2014 – 90 år gammal.
