Zonnestroom uit de ruimte voor een toekomst met schone energie in overvloed

door Katja Vogel

Een overvloed aan schone duurzame energie is niet langer een utopie maar een reële mogelijkheid. Dit stellen wetenschappers die zich sterk maken voor Space Based Solar Power (SBSP), het in de ruimte produceren van zonnestroom die op aarde wordt gebruikt. Het plan is om daartoe in de ruimte enorme zonnecel-installaties te plaatsen die zonlicht converteren naar elektrische energie en deze vervolgens omzetten in microgolven die draadloos naar de aarde worden gestuurd.

Onuitputtelijke bron van energie

De zon is een onuitputtelijke, extreem duurzame bron van schone energie, waarvan wegens de grote voordelen voor het milieu nu al op aarde steeds meer gebruik wordt gemaakt. Bijvoorbeeld door het plaatsen van zonnecel-panelen op daken van woningen en het aanleggen van grote zonnecel-installaties in woestijnen. De basiscomponent van zulke panelen en installaties is de zonnecel, een apparaatje dat lichtenergie omzet in elektrische energie.

Bij het op aarde produceren van zonnestroom heeft men te maken met tal van beperkingen die in de ruimte niet bestaan. Zo is op aarde slechts gedurende een deel van de tijd zonlicht beschikbaar. Op aarde geïnstalleerde zonnecel-panelen krijgen 's nachts geen en in de winter relatief weinig zonlicht, terwijl ook wolken veel zon tegen kunnen houden. Dit betekent dat omvangrijke opslag van zonlicht-elektriciteit, of de aanwezigheid van een andere energiebron, nodig is om in periodes van zonlichtschaarste toch over voldoende energie te kunnen beschikken.

Maar in de ruimte schijnt de zon altijd. Zelfs bij een zogenoemde zonsverduistering blijft de zon gewoon schijnen. Dat daarbij een deel van de aarde overdag wordt verduisterd komt omdat het zonlicht wordt tegengehouden door de maan die dan tussen de aarde en de zon in staat.

Kortom, door de continue aanwezigheid van zonlicht in de ruimte is het veel doelmatiger om dáár zonnestroom te winnen dan op aarde. De voordelen van buitenaardse stroomproductie zijn nog extra groot omdat in de ruimte de intensiteit van het zonlicht veel groter is dan op aarde. Zelfs op gunstige aardse locaties met veel zon is de hoeveelheid zonlicht die per jaar beschikbaar is voor stroomproductie aanzienlijk minder dan in de ruimte. Energie-opwekking in de ruimte kan dan ook voor veel meer schone elektriciteit zorgen dan met productie op aarde gerealiseerd kan worden.

De mogelijkheden die de zon biedt als onuitputtelijke bron van energie worden optimaal benut als buitenaardse zonnestroom wordt toegepast naast op aarde gewonnen zonne-energie. Daarbij gaat het niet alleen om het winnen van elektrische stroom door zonnecellen maar ook om het slim benutten van de warmte die door zonnestralen kan worden gecreëerd. Thermische zonne-energie wordt onder meer gebruikt om huishoudens van warm water te voorzien, zwembaden te verwarmen en stoom voor industriële toepassingen te produceren.

Space-based zonnestroom

Het technische concept voor het genereren van zonnestroom in de ruimte werd in november 1968 door de Amerikaanse wetenschapper Peter Glaser geïntroduceerd en beschreven in een baanbrekend artikel in het tijdschrift Science.

Centraal in dit concept staan zonne-energiecentrales die als satellieten om de aarde draaien. Door de in de energiecentrales aanwezige zonnecellen wordt zonlicht direct vanuit de ruimte opgevangen en omgezet in elektriciteit. Vervolgens wordt de elektrische energie omgezet naar microgolven en draadloos naar de aarde gestuurd. De energie wordt daar door een speciaal antenne-systeem, rectenna genaamd, ontvangen en weer geconverteerd naar elektriciteit die dan verder wordt gedistribueerd.

Een groot voordeel is dat zo'n rectenna zich in principe in elke streek op aarde kan bevinden. Kostbare infrastructurele voorzieningen om de buitenaardse stroom naar zonarme gebieden te transporteren zijn daardoor overbodig. Bij op aarde opgewekte zonnestroom zijn daarentegen omvangrijke transportfaciliteiten nodig om de energie van zonrijke naar zonarme gebieden te brengen.

Het feit dat buitenaardse stroom gemakkelijk naar vrijwel elke locatie kan worden gestuurd, maakt het verder mogelijk om daarmee in noodsituaties een rampgebied snel van elektriciteit te voorzien. Praktisch is ook dat de stroom on-demand naar verschillende locaties op aarde kan worden gezonden, zodra daar door een rectenna om wordt gevraagd.

Het bij SBSP toegepaste idee om energie draadloos te versturen was overigens niet nieuw. Isaac Asimow schreef in 1941 het sf-verhaal “Reason”, waarin vanaf een ruimtestation door middel van microgolven draadloos energie naar planeten wordt gedistribueerd. Rond het begin van de twintigste eeuw begon uitvinder, ingenieur en natuurkundige Nikola Tesla met onderzoek naar mogelijkheden om draadloos energie te transporteren en zo iedere plek op aarde van elektriciteit te voorzien. Onder meer door gebrek aan het benodigde geld slaagde hij er niet in om dit ideaal te verwezenlijken.

Vervanging van fossiele brandstoffen

De publicatie van Glaser gaf aanleiding tot studies door verschillende onderzoeksgroepen naar de praktische toepasbaarheid van het plan. Daaruit bleek dat satellitaire energievoorziening zelfs zonder nieuwe wetenschappelijke kennis destijds technisch al uitvoerbaar was. Met de toen bestaande technische mogelijkheden zouden de kosten echter onaanvaardbaar hoog worden, reden waarom de research na enige tijd op een laag pitje kwam.

Nieuwe ontwikkelingen die inmiddels onder meer op het gebied van de ruimtevaart-technologie hebben plaatsgevonden, maken dat deze revolutionaire methode van energieproductie nu wel economisch haalbaar is, zo blijkt uit een studie van de Amerikaanse Solar High Study Group.

Berekend is dat Space Based Solar Power qua prijs op den duur beter in staat is milieu-belastende fossiele brandstoffen te vervangen dan zonne-energie die op aarde wordt geproduceerd. Van eminent belang is verder dat met SBSP het energieprobleem wereldwijd permanent kan worden opgelost, ook in ontwikkelingslanden. Door energie afkomstig uit fossiele brandstoffen zoals olie en aardgas te vervangen door energie uit de ruimte blijven deze traditionele energiebronnen bovendien beschikbaar voor de fabricage van kunststoffen. Dat is belangrijk omdat de voorraad fossiele brandstoffen op aarde niet onuitputtelijk is.

Veel duurzame energie nodig

In de toekomst zal zeer veel duurzame energie nodig zijn om de groeiende wereldbevolking van voldoende energie te voorzien en wereldwijde welvaart te creëren. Voor het mondiaal bereiken van een hoge levensstandaard, ook in landen waar de bevolking nu nog in armelijke omstandigheden verkeert, is beschikbaarheid van veel schone energie een voorwaarde.

In dat verband gaat het om veel meer dan huishoudelijk energieverbruik voor onder meer voedselbereiding, koelen, vriezen, keukenapparatuur, wassen, verwarming, airco en aanleg van sanitaire voorzieningen. Er is ook energie nodig voor verkeer en transport door bedrijven en particulieren, voor industriële activiteiten, voedselproductie, gezondheidszorg, ontwikkelingsprojecten (bijvoorbeeld het vruchtbaar maken van woestijnen) en wetenschappelijk onderzoek.

Ook nu al wordt steeds meer gebruik gemaakt van zonne-energie, onder meer door het plaatsen van zonnecel-panelen op daken van woningen

Onderzoekers wijzen er verder op dat energie nodig is voor ontzilting, het maken van zoet water uit zout zee- en oceaanwater. Zoet water is niet alleen van belang voor de drinkwatervoorziening en dus de volksgezondheid maar onder meer ook voor de landbouw en de voedselproductie. Te verwachten is dat de vraag naar ontzilting van zout water in de toekomst steeds groter zal worden. In het rapport “Water for a sustainable world” dat in maart 2015 door de Verenigde Naties werd uitgebracht wordt gewaarschuwd voor een dreigende wereldwijde waterschaarste die zich, als geen maatregelen worden genomen, al over zo'n 15 jaar kan gaan manifesteren. Het gaat om een complex probleem waarbij veel factoren betrokken zijn, waaronder groei van de wereldbevolking, watervervuiling en inefficiënt waterbeheer. Een rol speelt ook dat in sommige gebieden op aarde verzilting van grondwatervoorraden plaatsvindt.

SBSP komt eraan

Gezien de toekomstige sterke toename van het energieverbruik is het begrijpelijk dat space based solar power tegenwoordig steeds meer aandacht krijgt. Zowel Amerikaanse als Japanse organisaties werken aan geavanceerde researchprojecten voor het genereren van zonnestroom in de ruimte. Ook China, India en Europa hebben belangstelling voor deze vorm van energie-opwekking.

De research die in verschillende laboratoria plaatsvindt richt zich onder meer op efficiëntere zonnecel-installaties, het concentreren van zonlicht met behulp van spiegels en transmissie van de stroom door laserstralen in combinatie met of in plaats van microgolven. Ook wordt geëvalueerd op welke locaties in de ruimte zonnecel-installaties het beste geplaatst kunnen worden. Verder is er veel aandacht voor het veiligheidsaspect.

Een heel belangrijk aandachtspunt betreft de kosten die gemoeid zijn met het bouwen van de zonne-energiecentrales. Grote besparingen zijn mogelijk als grondstoffen niet vanaf de aarde getransporteerd hoeven te worden maar in de ruimte gewonnen kunnen worden, bijvoorbeeld op de maan of uit asteroïden. Daarbij wordt ook gekeken naar mogelijkheden om bij de werkzaamheden robots te gebruiken die op afstand bestuurd kunnen worden.

Interessant in dit verband is een zeer ambitieus, door het Japanse bedrijf Shimizu gelanceerd plan dat bekend staat als Luna Ring. In dit concept wordt op de maan, rondom de 11.000 km lange evenaar, een 400 km brede gordel met zonnecellen aangebracht. De in de centrale opgewekte energie zal draadloos naar de aarde worden gezonden. Bij de aanleg van deze gigantische zonne-energiecentrale wil men robots inzetten om op de maan grondstoffen te winnen en deze ter plaatse bij de constructie te gebruiken. Voordat dit plan gerealiseerd kan worden zullen echter nog heel wat moeilijkheden overwonnen moeten worden; niet alleen op het gebied van de techniek maar ook van internationale samenwerking.

Wat betreft SBSP doet Japan ook op een andere manier van zich spreken. Voortbouwend op het concept van Glaser voor satellitaire zonnecelcentrales wordt in dat land gewerkt aan een project om vanaf een zonnestroom-satelliet die zich op zo'n 36.000 kilometer boven de aarde bevindt energie draadloos naar de aarde te sturen. Daartoe is door de Japanse ruimtevaart-organisatie JAXA een technologisch stappenplan opgesteld waarbij systematisch verschillende research- en testfasen worden doorlopen.

Als alles goed verloopt zal al in de jaren 2030 daadwerkelijk een satellitaire zonnestroom-installatie in gebruik worden genomen met een output die even groot is als van een kernenergiecentrale.