Beam It Down

I verdensrommet skinner solen alltid sterkt. Ingen skyer blokkerer solstrålene, og det er ingen nattetid. Solfangere montert på en satellitt i bane vil dermed generere strøm 24 timer i døgnet, 365 dager i året. Hvis denne kraften kunne overføres til jorden, kan verdens energiproblemer være løst for alltid.





Solenergisatellitter (SPS) ble opprinnelig foreslått som en løsning på oljekrisene på 1970-tallet av den tsjekkisk-amerikanske ingeniøren Peter Glaser, den gang hos Arthur D. Little. Glaser forestilte seg 50 kvadratkilometer rekker med solceller utplassert på satellitter som kretser rundt 36 000 kilometer over faste punkter langs ekvator. En satellitt i den geosynkrone høyden bruker 24 timer på å gå i bane rundt jorden og forblir dermed fast på det samme punktet på jorden hele tiden.

Ideen var elegant. Fotovoltaiske celler på en satellitt ville konvertere sollys til elektrisk strøm, som i sin tur vil drive en ombord mikrobølgegenerator. Mikrobølgestrålen ville reise gjennom rommet og atmosfæren. På bakken ville en rekke likeretterantenner, eller rektenner, samle disse mikrobølgene og trekke ut elektrisk kraft, enten for lokal bruk eller for distribusjon gjennom konvensjonelle strømnett.

Teknologien, som opprinnelig ble forestilt, utgjorde skremmende tekniske hindringer. Effektiv overføring av elektrisk kraft fra en satellitt i geosynkron bane vil kreve en senderantenne om bord på satellitten på omtrent én kilometer i diameter og en mottaksantenne på bakken på omtrent 10 kilometer i diameter. Et prosjekt av denne skalaen forvirrer sinnet; statlige finansieringsbyråer vek unna å investere enorme summer i et prosjekt hvis levedyktighet var så uklar. NASA og Department of Energy, som hadde sponset foreløpige designstudier, mistet interessen på slutten av 1970-tallet.



I de siste årene har imidlertid kommunikasjonsindustrien annonsert satellittprosjekter som tyder på at tiden er inne for å revidere ideen om solenergisatellitt. Tidlig på neste århundre vil svermer av kommunikasjonssatellitter gå i bane rundt jorden i lav høyde, og videresende tale, video og data til de mest avsidesliggende stedene på jorden. Disse satellittene vil videresende kommunikasjonssignaler til jorden på stråler av mikrobølger. Overføring av elektrisk kraft med en mikrobølgestråle ble demonstrert allerede i 1963, og projisering av kraft og data langs den samme mikrobølgestrålen er godt innenfor teknikkens stand. Hvorfor ikke bruke den samme strålen til å bære elektrisk kraft?

De nye kommunikasjonssatellittene vil gå i bane i en høyde på bare noen få hundre mil. I stedet for å sveve over et sted på ekvator, svirrer satellitter med lav bane rundt kloden på så lite som 90 minutter, og sporer stier som svinger rundt ekvator, og stiger og synker så mange som 86 breddegrader. Fordi de er nærmere jordens overflate, kan solfangerne på satellitten være noen hundre meter over i stedet for 10 kilometer. Og fordi mikrobølgestrålene de genererer ville spre seg mye mindre enn de fra geosynkrone satellitter, kan bakkerektennaene også være tilsvarende mindre og rimeligere. Ved å piggybacke på disse flåtene av kommunikasjonssatellitter - og dra nytte av deres mikrobølgesendere og -mottakere, bakkestasjoner og kontrollsystemer - kan solenergiteknologi bli økonomisk levedyktig.

Lav jordbane utgjør imidlertid sine egne vanskeligheter. Fordi de pisker rundt planeten så raskt, må satellitter i lav bane ha sofistikerte datastyrte systemer for å justere målet til mikrobølgestrålen slik at den lander ved mottaksstasjonen. Disse satellittene må bruke sofistikerte elektroniske systemer, kalt fasede arrays, for kontinuerlig å remåle den utgående strålen.



Energi for utvikling

Etterspørselen etter rombasert solenergi kan være ekstraordinær. Innen 2050, ifølge noen estimater, vil 10 milliarder mennesker bo på kloden - mer enn 85 prosent av dem i utviklingsland. Det store spørsmålet: Hvordan kan vi best dekke menneskehetens økende energibehov med minst mulig negativ innvirkning på miljøet?

Ser etter en billig lansering



En viktig faktor ved planlegging av romkraft er kostnadene ved å sette en satellitt i bane. Akkurat nå koster det tusen ganger mer å sette en gjenstand ut i verdensrommet enn å fly den over landet med et kommersielt fly, selv om de to jobbene krever omtrent samme mengde energi - omtrent 10 kilowattimer per kilo nyttelast. To faktorer står for den ekstra kostnaden: hæren av ingeniører og forskere som kreves for en vellykket romoppskyting, og praksisen med å kaste mye av bæreraketten etter hver flytur.

Utskytingskostnadene vil imidlertid trolig falle, ettersom etterspørselen øker for å heise store volumer materiale ut i rommet med jevne mellomrom: jo oftere et oppskytingssystem brukes, desto lavere blir kostnaden per bruk. Dessuten søker NASA en ny generasjon gjenbrukbare bæreraketter. Byrået sponset nylig en konkurranse blant romfartsentreprenører om et romfartøy med potensial for flyselskapslignende drift. Vinneren var Lockheed Martin Skunk Works, legendariske innovatører innen flydesign fra U-2 til Stealth-jagerflyet. Lockheed Martin planlegger å bygge og teste den kileformede gjenbrukbare X-33 på 1 milliard dollar – en versjon av halv størrelse og en åttende masse av en bærerakett kalt Venture Star som skulle erstatte romfergen for å frakte last i lav bane. Målet for lanseringskostnaden er $2200 per kilogram-en tiendedel av en skyttelskyting. Til den prisen kan romkraft bli kostnadseffektiv hvis satellitter trekker dobbel plikt som kommunikasjonsreléer og solenergikilder.

En solenergisatellitt bør raskt betale tilbake energien som trengs for å sette den i bane. Start med den konservative antagelsen om at satellittteknologi for solenergi vil produsere 0,1 kilowatt elektrisitet på bakken per kilo masse i bane. I så fall ville energiforbruket på 10 kilowattimer per kilogram for å løfte satellitten i bane bli tilbakebetalt i elektrisitet etter bare 100 timer – mindre enn fem dager.
En måte å holde lanseringskostnadene nede er å bruke en oppblåsbar struktur som solfanger. Å gjøre det ville maksimere oppsamlerens overflate – viktig for å samle den største mengden solenergi – uten å legge en stor vektbelastning på bæreraketten. Tømte solfangere kan brettes sammen til en kompakt plass om bord i romfartøyet; en gang i bane vil gass fra en trykkbeholder blåse opp strukturen.



Ballonger i verdensrommet er en gammel historie. Faktisk var 1960-årgangssatellitten kjent som Echo I en ballong som ble brukt til å sprette radiobølger tilbake til jorden. NASA studerer nå gjennomførbarheten av oppblåsbare strukturer i rommet for antenner, parasoller og solcellepaneler, men ikke eksplisitt for satellittsystemer for solenergi. En viktig eksperimentell milepæl var den vellykkede utplasseringen av Space Shuttle Endeavour-astronauter i mai 1996 av Spartan Inflatable Antenna Experiment - en 14 meter lang antenne blåst opp av en nitrogengassbeholder i bane.

Det er ikke et så veldig stort steg fra et slikt eksperiment til en solfangende satellitt som kan settes sammen i bane fra oppblåste segmenter. Hvis NASA skulle gjøre forskning på oppblåsbare romstrukturer til en høy prioritet, kunne kunnskapsbasen for å lage kostnadseffektive lavmassestrømsatellitter utviklet seg raskt.

Ett skritt av gangen

Til å begynne med ville solenergien som sendes fra verdensrommet kun brukes til å gi den minimale elektriske kraften som trengs for å drive elektronikken til mottaksstasjonen på bakken - omtrent på samme måte som linjestrømmen driver konvensjonelle telefoner. Til syvende og sist vil satellittene sende ned større mengder kraft, noe som kan gi megawattene med elektrisitet som vil bidra vesentlig til å drive en landsby eller til og med en by.

Å skalere opp til høyere kraftnivåer ville være enkelt, og bare innebære utplassering av en større mengde solfangende område i verdensrommet. Strøm vil bli overført gjennom infrastrukturen til sendere og mottakere som da vil være på plass for satellittkommunikasjonssystemene. I denne forbindelse har mikrobølgeoverføring en avgjort fordel i forhold til konvensjonelle kabelmetoder for overføring av kraft. Et mikrobølgesystem som er 80 prosent effektivt til å sende 1 kilowatt vil fortsatt være 80 prosent effektivt til å sende 1 megawatt. Dette er fundamentalt forskjellig fra en elektrisk kraftoverføringslinje, der du trenger tykkere og dyrere ledninger for å bære mer kraft. Hvis det legges for mye strøm gjennom en kabel, vil det smelte isolasjonen.

Noen frykter at et nettverk av solenergisatellitter kan gjøre atmosfæren om til en stor mikrobølgeovn, og tilberede det som vandrer inn i strålens vei. I virkeligheten vil mikrobølgeintensitetene som vi foreslår være størrelsesordener under terskelen der objekter begynner å varmes opp. Folk vil bli utsatt for mikrobølgenivåer som kan sammenlignes med de fra mikrobølgeovner og mobiltelefoner. Mens noen kritikere spekulerer i at mikrobølger utgjør ikke-termiske trusler mot menneskers helse, er det ingen pålitelig epidemiologisk bevis for uønskede effekter fra mikrobølger på disse lave nivåene. Høyere nivåer av mikrobølgestråling vil bli funnet ved rektennaene som strålene er fokusert på, men gjerder og varselskilt kan avgrense disse områdene med mulig fare. Men i henhold til våre beregninger vil mikrobølgeintensiteter selv ved omkretsen av rektenna falle innenfor området som nå anses som trygt av Arbeidstilsynet.

Et større potensielt problem er å dele de begrensede frekvensene i mikrobølgespekteret. Motorola har kommet under ild, for eksempel fordi det planlagte systemet vil bruke frekvenser i området 1,616 til 1,626 gigahertz, som nesten overlapper 1,612 gigahertz-frekvensen som astrofysikere stiller seg til når de samler data om kosmos. Radioastronomer bekymrer seg for at interferens fra en solenergisatellitt vil overvelde de relativt svake signalene de søker å oppdage. Motorola lover å begrense utslipp av kommunikasjonsstråler til radioastronomenes frekvensnisje, men problemet understreker det faktum at mikrobølgespekteret er en begrenset ressurs som nidkjært bevoktes av både kommersielle og ideelle brukere. Allokering av spekteret må behandles raskt og effektivt for å unngå forrang på romkraftteknologi før det blir født.

Hvorvidt solenergisatellitter blir en realitet vil til syvende og sist avhenge av viljen til telekommunikasjons- og strømselskaper til å gå inn i romkraftvirksomheten. Så langt har ingen av bransjene vist særlig interesse. Men så er de for det meste uvitende om de kommersielle mulighetene. Man må vite at det finnes et alternativ for å velge det. For 30 år siden var kommunikasjonssatellitter en nyhet. For ti år siden var det ingen som hadde hørt om Internett.

Det som er sikkert, er at det nåværende presset for deregulering har ført til en kamp fra telekommunikasjons-, datamaskin-, kabel-TV- og forsyningsindustrien for å komme inn på hverandres markeder. Noen elektriske kraftselskaper ønsker å gå inn i telekommunikasjonsbransjen som en måte å utnytte den enorme investeringen i ledning og kabel som når praktisk talt alle bygninger i landet. Det er like fornuftig å foreslå at kommunikasjonsselskaper går inn i kraftbransjen. I praksis kan konsortier av kraft- og kommunikasjonsselskaper utvikle den foreslåtte teknologien sammen.

Ingen enkelt del av denne teknologien utgjør en grunnleggende snublestein. Fysikken til fotovoltaiske celler og mikrobølgegenerering er godt forstått. For å gå videre til neste trinn vil det imidlertid kreves en demonstrasjon av at alle delene av dette systemet kan fungere sammen: solcellepanelene, de fasede mikrobølgeantennene, mottaksstasjonene som skiller datasignalene fra kraftstrålene, og datamaskiner som forteller satellittene hvor på bakken de skal rette strålene. NASA kan akselerere denne utviklingen enormt ved å plassere en prototype av en solenergisatellitt i bane.

Fordelene er for store til å gå bort fra. Et nettverk av solenergisatellitter som det vi foreslår kan forsyne jorden med 10 til 30 billioner watt elektrisk kraft - nok til å tilfredsstille behovene til menneskeheten gjennom det neste århundret. Solenergisatellitter tilbyr dermed en visjon der energiproduksjonen beveger seg fra jordens overflate, slik at alle kan leve på en grønnere planet. Tenk på de filosofiske implikasjonene: menneskeheten trenger ikke lenger se seg fanget på romskipet jorden med begrensede ressurser. Vi kunne utnytte verdens ubegrensede ressurser, med planeten bevart som en uvurderlig ressurs for biologisk mangfold.

gjemme seg