Zonne-energie uit de ruimte staat of valt met het draadloos versturen ervan

Zonnepanelen in de ruimte plaatsen en de energie draadloos doorstralen naar de aarde versturen kan één van de grootste technische projecten aller tijden worden. Het klinkt ambitieus. Zou dit megaproject ooit werkelijkheid kunnen worden?

Het idee van zonne-energie opwekken vanuit de ruimte speelt al sinds Isaac Asimov in april 1941 het idee lanceerde in een kort verhaal genaamd "Reason." Het concept werd door de Amerikaanse Department of Energy onderzocht in de mid jaren zeventig, en in Japan werd het idee recentelijk weer geopperd als alternatief voor nucleaire-energie. Er zijn echter nog wel wat hobbels op de weg voordat deze droom werkelijkheid kan worden.

Er zijn niet veel mensen die daadwerkelijk aan dit soort 'orbital solar projects' werken, maar afgelopen maandag, bij de Satellite 2015 conferentie in Washington DC, bespraken drie experts hun progressie rondom het onderwerp.

Paul Jaffe, een onderzoeker bij het US Naval Research Lab, werkt aan een aantal specifieke onderdelen voor ruimte zonne-energie, en dan voornamelijk aan de draadloze transmissie ervan. Patrick Rayermann is director of business development bij de ruimteafdeling van Airbus, één van de weinige bedrijven die geld steken in de ontwikkeling van zonne-energie uit de ruimte. Airbus is een bedrijf dat continu beslissingen maakt of er geïnvesteerd moet worden in opkomende technologieën.

Waarom willen we eigenlijk zonnepanelen in de ruimte plaatsen?

Het klinkt misschien als sciencefiction, maar de argumenten zijn best wel voor de hand liggend: de schatting is dat zonnepanelen in de ruimte zo'n 10 keer efficiënter zijn. Dat komt onder andere doordat ze 24/7 op de zon gericht kunnen zijn. Als je een energiecentrale hebt in de ruimte kan je de energie naar elke plek op aarde doorstralen, waaronder afgelegen en arme gebieden, en gebieden waar oorlog heerst. Daar komt bij dat het in theorie schoon en efficiënt is.

Oké mooi, maar waarom hebben we het nog niet gedaan dan?

Om er iets aan te hebben moeten we kilometerslange zonnepanelen hebben die in een baan om de aarde zweven. Een opgave die tientallen of zelfs honderden lanceringen nodig zou kunnen hebben. Al dat materiaal naar de ruimte krijgen is duur (het gaat om miljarden), en de constructie vervolgens in de ruimte in elkaar zetten valt nu nog buiten onze technische mogelijkheden.

"Niemand heeft ooit een systeem op aarde gebouwd dat groter is dan een een aantal vliegdekschepen - laat staan in de ruimte," zei Rayermann.

De wetenschap achter ruimte zonne-energie klopt. We kunnen zonne-energie opwekken op aarde, we kunnen energie draadloos transporteren via microgolven en lasers, en we kunnen ook al een geruime tijd dingen de ruimte in schieten, kortom: het is haalbaar. Dit betekent alleen niet dat we er al zijn, en het is al helemaal geen garantie voor dat ooit gaat gaan gebeuren.

"Ik denk dat het haalbaar is, maar wat we ermee willen bereiken? Als ik investeerders vraag wat ze willen dan zeggen ze dat 50 jaar in de toekomst kijken te ver weg is. Ze kijken hooguit 2 jaar vooruit, dus het verhaal moet in hoofdstukken gepresenteerd worden," aldus Horowitz.

Horowitz zei dat degene die de technologie gaat ontwikkelen, de aanvullende technologieën moet gaan pitchen. Denk aan: robots die in de ruimte kunnen gaan werken, betere draadloze-transmissie die bijvoorbeeld naar draadloze tv's geleid wordt, goedkopere lanceringstechnologie, en een betere zonlicht-naar-energie conversie. Maar wie gaat hiervoor betalen?

De Amerikaanse overheid gaf tussen 1978 en 1981 50 miljoen dollar uit aan onderzoek naar het idee, op het toppunt van de oliecrisis. Sindsdien zijn de geldstromen sterk afgenomen, maar Jaffe en andere onderzoekers gaan door met de ontwikkeling van het plan.

Airbus zet ook veel onderzoekers in voor ruimte-zonne-energie, maar het zal niet binnenkort werkelijkheid worden. "Als je het commercieel aanpakt, dan moet het zakelijke plaatje gewoon kloppen," zei Rayermann. "Tegen investeerders zeggen dat ze hun geld binnen een aantal decennia terugverdienen werkt niet."

Welke rol kan defensie spelen?

Het meest aannemelijke scenario is dat deze ruimtetechnologie via militaire projecten doorsijpelt naar de massa. De energie die opgewekt wordt zal in het begin ook zeker niet goedkoop zijn. De megagrote investeringen moeten in de eerste instantie natuurlijk terugverdiend worden.

"Er zit een groot militair belang in deze technologie, je kan energie op elk punt ter aarde naar het slagveld stralen." zei Rayermann. "En vanaf dat punt kunnen we de technologie uitbreiden naar rampgebieden. Hiermee kunnen we getroffen landen meteen weer van stroom voorzien."

En hoe zit het nu met Japan?

Japan neemt tot nu toe het voortouw in de ontwikkeling. Ze willen in 2025 een werkzame ruimte-energiecentrale realiseren. Ze zijn het enige land dat deze grote ambitie heeft, maar het blijft een verhaal voor de lange termijn. Vorige week liet Mitsubishi een technologie zien die draadloos energie kan versturen. Ze verzonden 1.8 kilowatt aan energie naar een ontvangststation 55 meter verderop. De microgolven waren erg accuraat waardoor de technologie tot nu toe onovertroffen is in zijn soort.

Microgolven of lasers?

Er zijn twee manieren om de energie terug naar de aarde te stralen: microgolven kunnen zich door de wolken heen bewegen (wat lasers niet kunnen). Maar een groot nadeel van de golven is dat ze minder accuraat zijn, want andere golflengtes zoals radio en mobiele telefoons kunnen de frequentie namelijk verstoren. Op laser gebaseerde technologie is flexibeler en goedkoper omdat er minder ruimte voor nodig is.

Eén grote energie centrale, of meerdere satellieten?

De grootste uitdaging van dit moment is de enorme installatie de ruimte in krijgen. Eén groot station lijkt het beste te onderhouden vanuit de ruimte, maar het grootste probleem hiermee is dat we het in de ruimte in elkaar moeten gaan zetten.

"Toen de VS er in de jaren zeventig mee bezig was stelde ze zich enorme koloniën van astronauten voor die in de ruimte aan de installatie zouden werken," zei Jaffe. We werken samen met DARPA aan ruimte-robots, het lijkt namelijk onvermijdelijk dat we de centrale in de ruimte in elkaar moeten gaan zetten."

We kunnen ook een hele hoop zonnesatellieten de ruimte in sturen, en de satellieten de energie naar een basisstation laten sturen. Het nadeel hiervan is dat de energie meerdere keren verstuurd moet worden, wat veel verlies van energie zou betekenen.

Waarom gebruiken we geen enorme zeppelin in de stratosfeer?

Waarom zouden we eigenlijk satellieten moeten gebruiken als we grote ballonnen, drones of zeppelins kunnen gebruiken die nog binnen de atmosfeer zweven? Deze optie is waarschijnlijk goedkoper (je kan dan nog steeds energie naar afgelegen plekken versturen). Het grote minpunt is dat de ballonnen dan niet dag en nacht door energie kunnen verzamelen.

Ruimte afval en de impact op het milieu

De waslijst aan complicaties gaat nog wel even door. Zo is de kans dat een stuk ruimte afval een satelliet uitschakelt niet verwaarloosbaar. Het is natuurlijk geen pretje als de miljarden dollars in de soep vallen door rondvliegend ruimteafval, of een rondvliegende satelliet.

We noemden bewolking al eerder als probleem, maar de vraag wat het met de atmosfeer doet als we continu microgolven er doorheen gaan jagen blijft ook nog even liggen. "Het idee komt groen over maar het zou de atmosfeer wel eens heel zwaar kunnen aantasten," zei Rayermann.

Wat nu?

Maandag vertelden drie experts waarom zonne-energie uit de ruimte een goede optie is, maar zelfs deze mensen hebben nu nog vraagtekens. Dit betekent natuurlijk niet dat het niet zal gebeuren, maar het blijft zeker iets voor de lange termijn.

Als iemand (​Elon Musk​ misschien) uit kan zoeken hoe we goedkoop naar de ruimte komen, dan zou een grote uitdaging uit de weg geruimd zijn. In de tussen tijd moeten we betere manieren vinden om energie op aarde op te wekken. "Dit idee heeft zeker nog 20 tot 30 jaar nodig om te rijpen," zei Rayermann. "Het is bijvoorbeeld niet ondenkbaar dat er binnenkort goedkope kernfusie-energie verkrijgbaar is. Als we dat gewoon op aarde kunnen bereiken is de ruimte misschien toch minder aantrekkelijk."