Zonne-energie uit de ruimte, met constante zonneschijn en zonder verstorende wolken of lucht, lijkt voor sommige overheidsinstanties dé wonderoplossing om groene en goedkope energie te produceren. Maar schijn bedriegt, schrijven de Franse astrofysici Roland Lehoucq, Emmanuelle River en François Graner.
In de ruimte schijnt de zon altijd. Vandaar het idee om enorme zonnepanelen in een baan om de aarde te plaatsen om de mensheid van elektriciteit te voorzien. Geen wolken die in de weg zitten, geen wisselende dagen en nachten: zo wordt intermittentie (onderbreking) vermeden, een van de grootste nadelen van zonne-energie op aarde.
Een dergelijke orbitale zonne-energiecentrale werd voor het eerst voorgesteld in 1941 door Isaac Asimov in zijn korte verhaal Reason. Sindsdien heeft het idee aanhangers gekregen en zich verspreid. Het is zo aantrekkelijk dat de directeur van het Europees Ruimteagentschap (ESA) in augustus 2022 liet weten dat zijn organisatie het bestudeert.
Londen wil tegen 2045 30 gigawatt aan zonnepanelen in een baan om de aarde brengen, net als Washington en Peking die ook hebben aangekondigd hieraan te werken.
Maar is het idee om fotovoltaïsche centrales de ruimte in te sturen technologisch haalbaar? Misschien. Maar, zoals we zullen aantonen, biedt het geen antwoord op de urgentie van het klimaatprobleem.
Volle zon
Zonne-energie is in grote hoeveelheden beschikbaar en verdeeld over het hele aardoppervlak, hoewel er gebieden zijn die meer ontvangen. In Marokko hebben ze 3000 uren zon per jaar, in Noorwegen ongeveer de helft.
Bovendien genereert deze energie weinig afval, stoot ze geen broeikasgassen uit tijdens de productiefase en weinig tijdens de hele levenscyclus – zeker in vergelijking met fossiele bronnen.
Er zijn echter ook nadelen: zonnepanelen vereisen silicium en koper, en de zon stopt ‘s nachts en als het bewolkt is.
Maar voor een orbitale centrale is er geen nacht en geen wolken. De zonnepanelen bevinden zich in een geostationaire baan (zo hoog dat een object stil lijkt te staan ten opzichte van het aardoppervlak) op 36.000 kilometer hoogte. Ze zouden minder dan 1 procent van de tijd in de schaduw van de aarde staan. Dit is veel beter dan in een lagere baan: het internationale ruimtestation (ISS), 450 kilometer hoog, gaat regelmatig door de schaduw van de aarde en verliest zo ongeveer 30 procent van de zonne-energie.
Hoe sturen we energie naar de aarde?
Voor zonne-energie uit de ruimte kunnen we kabelstroom wel vergeten. Zo’n lange kabel, zelfs als die haalbaar is, zou vliegtuigen en satellieten storen.
Hoewel aantrekkelijker, laten we ook de laser vergeten. Zelfs bij gebruik in het golflengtebereik dat de atmosfeer toelaat (het “atmosferische venster”), zouden de interacties van de straal met de luchtmoleculen (absorptie en verstrooiing) de overdracht van energie zeer moeilijk maken, vooral wanneer de luchtvochtigheid en de bewolking hoog zijn.
De meest populaire optie op dit moment is om de verzamelde lichtenergie om te zetten in elektriciteit, die op zijn beurt wordt omgezet in een microgolfstraal die naar onze planeet wordt gestuurd. Deze straal zou worden opgevangen door het verticale deel van het aardoppervlak, waar hij weer in elektriciteit zou worden omgezet.
Airbus maakte onlangs het succes bekend van een grondtest die in München samen met het bedrijf Emrod werd uitgevoerd: een zendantenne met een diameter van 2 meter die een aanvankelijk vermogen van 10 kilowatt omzette in microgolven van 5,8 gigahertz was in staat om 2 kilowatt over een afstand van 36 meter over te brengen.
Zou zonne-energie uit de ruimte het meer energie produceren?
Alleen al het feit dat bedrijven het proces testen suggereert dat het economisch haalbaar kan zijn. Maar de fysica legt enkele beperkingen op, in termen van energiewinst, ruimtebeslag en uitvoeringstempo.
Het eerste voordeel op papier is dat een zonnepaneel in een geostationaire baan, altijd goed gericht op de zon, volgens onze berekeningen ongeveer drie keer zoveel energie zou leveren als zijn tegenhanger in een gebied met veel licht, zoals de Sahara. Dit lijkt veel, maar het is niet genoeg.
De dubbele conversie (van elektriciteit naar microgolven en dan weer terug naar elektriciteit) veroorzaakt noodzakelijkerwijs verliezen: momenteel verliezen we de helft van het vermogen. De werkelijke winst, in vergelijking met een aardse centrale, is dus niet drie, maar slechts anderhalf.
Kan dit cijfer het ongemak (of zelfs de onmogelijkheid) compenseren om in te grijpen voor het onderhoud ervan, en de kosten van materialen, energie, kapitaal en vervuiling die de lancering in een baan om de aarde met zich meebrengt?
Hoeveel ruimte zou het op aarde innemen?
Tweede voordeel op papier: de centrale in een baan om de aarde zou heel wat monopolisering en artificialisering (verdwijnen van natuur) van het aardoppervlak vermijden. Dat kan voor vele andere dingen kan worden gebruikt, zoals wonen, voedselteelt en natuurbehoud.
Maar, om de energie van zonne-energie uit de ruimte op te vangen – al was het maar enkele gigawatts – is een zeer groot oppervlak op aarde nodig.
Een microgolfstraal is geen dunne rechte lijn, noch een convergerende straal, zoals soms wordt voorgesteld. Het is een divergerende kegel: fijne punt aan het begin, brede basis aan het eind.
Dit verschijnsel wordt diffractie genoemd. Een in 1978 gepubliceerde NASA-studie analyseerde reeds de mogelijkheid van een zonne-energiecentrale in een baan om de aarde die 5 gigawatt energie zou kunnen leveren uit 75 gigawatt opgevangen zonlicht. Daarvoor was een zendantenne met een diameter van 1 kilometer in een baan om de aarde nodig en een ontvangstantenne op de grond van 13 x 10 kilometer (iets meer dan de oppervlakte van Parijs), als de energieoverdracht zou plaatsvinden met een microgolfstraal met een frequentie van 2,45 gigahertz.
De omvang van de antenne kan echter worden verkleind door een hoger frequentiebereik te gebruiken, maar in het allerbeste geval is voor de ontvangstantenne een landoppervlak van ongeveer 10 vierkante kilometer nodig.
Ter vergelijking: de krachtigste aardse zonnecentrales: Bhadla, in India, met een diameter van 8 kilometer, of Benban, in Egypte, met een diameter van 7 kilometer, hebben een geïnstalleerd vermogen van respectievelijk 2,2 en 1,7 gigawatt. Met andere woorden, de ruimtewinst valt tegen: de belasting op het aardoppervlak is van dezelfde orde als die van een installatie op de grond met een vergelijkbaar vermogen.
Dit artikel is oorspronkelijk verschenen bij IPS-partner The Conversation.
