Tämä artikkeli julkaistiin alun perin The Conversationissa. Julkaisu toimitti artikkelin Space.comin Expert Voices -sivustolle: Op-Ed & Insights.
Amanda Jane Hughes, lehtori, kone-, materiaali- ja ilmailutekniikan laitos, Liverpoolin yliopisto
Stefania Soldini, ilmailutekniikan lehtori, Liverpoolin yliopisto
Se kuulostaa tieteiskirjallisuudelta: jättimäiset avaruudessa leijuvat aurinkovoimalaitokset, jotka säteilevät valtavia määriä energiaa maahan. Pitkään venäläisen tiedemiehen Konstantin Tsiolkovskin 1920-luvulla kehittämä konsepti inspiroi lähinnä kirjailijoita.
Sata vuotta myöhemmin tiedemiehet ovat kuitenkin ottaneet valtavia edistysaskeleita konseptin muuttamisessa todellisuudeksi. Euroopan avaruusjärjestö on oivaltanut näiden ponnistelujen potentiaalin ja pyrkii nyt rahoittamaan tällaisia hankkeita, ja se ennustaa, että ensimmäinen teollinen resurssi, jonka saamme avaruudesta, on ”sädetetty energia”.
Ailmastonmuutos on aikamme suurin haaste, joten pelissä on paljon. Ilmastonmuutoksen vaikutukset tuntuvat jo nyt eri puolilla maailmaa, alkaen maapallon lämpötilan noususta ja muuttuvista säämalleista. Tämän haasteen voittaminen edellyttää radikaaleja muutoksia siihen, miten tuotamme ja kulutamme energiaa.
Uusiutuvien energialähteiden teknologiat ovat kehittyneet rajusti viime vuosina, ja niiden tehokkuus on parantunut ja kustannukset laskeneet. Yksi merkittävä este niiden käyttöönotolle on kuitenkin se, että ne eivät tarjoa jatkuvaa energiansaantia. Tuuli- ja aurinkovoimalaitokset tuottavat energiaa vain silloin, kun tuuli puhaltaa tai aurinko paistaa – mutta me tarvitsemme sähköä ympäri vuorokauden, joka päivä. Viime kädessä tarvitsemme keinon varastoida energiaa suuressa mittakaavassa, ennen kuin voimme siirtyä uusiutuviin energialähteisiin.
Avaruuden edut
Mahdollinen tapa kiertää tämä olisi tuottaa aurinkoenergiaa avaruudessa. Tässä on monia etuja. Avaruudessa sijaitseva aurinkovoimala voisi kiertää kiertoradalla aurinkoa kohti 24 tuntia vuorokaudessa. Maan ilmakehä myös imee ja heijastaa osan Auringon valosta, joten ilmakehän yläpuolella olevat aurinkokennot saavat enemmän auringonvaloa ja tuottavat enemmän energiaa.
Yksi tärkeimmistä haasteista on kuitenkin se, miten tällaiset suuret rakenteet saadaan koottua, laukaistua ja käyttöön. Yksittäisen aurinkovoimalan on ehkä oltava pinta-alaltaan jopa 10 neliökilometrin kokoinen, mikä vastaa 1400 jalkapallokenttää. Kevyiden materiaalien käyttö on myös ratkaisevan tärkeää, sillä suurin kustannuserä on aseman laukaiseminen avaruuteen raketilla.
Yksi ratkaisuehdotukseksi on ehdotettu tuhansien pienempien satelliittien parven kehittämistä, jotka yhdistyvät ja konfiguroituvat yhdeksi suureksi aurinkogeneraattoriksi. Vuonna 2017 Kalifornian teknologiainstituutin tutkijat hahmottelivat suunnitelmia modulaarisesta voimalaitoksesta, joka koostuu tuhansista ultrakevyistä aurinkokennolaatoista. He myös esittelivät prototyyppilaatan, joka painoi vain 280 grammaa neliömetriä kohti, mikä vastaa pahvin painoa.
Nyt myös valmistuksen kehitystä, kuten 3D-tulostusta, tarkastellaan tätä sovellusta varten. Liverpoolin yliopistossa tutkitaan uusia valmistustekniikoita ultrakevyiden aurinkokennojen tulostamiseksi aurinkopurjeisiin. Aurinkopurje on kokoontaitettava, kevyt ja hyvin heijastava kalvo, joka pystyy hyödyntämään auringon säteilypaineen vaikutusta avaruusaluksen kuljettamiseksi eteenpäin ilman polttoainetta. Tutkimme, miten aurinkokennoja voidaan upottaa aurinkopurjerakenteisiin, jotta voidaan luoda suuria, polttoaineettomia aurinkovoimaloita.
Näillä menetelmillä voimalat voitaisiin rakentaa avaruuteen. Jonain päivänä voisikin olla mahdollista valmistaa ja ottaa käyttöön yksiköitä avaruudessa kansainväliseltä avaruusasemalta tai tulevalta Kuun kiertoradalle tulevalta Kuun gateway-asemalta käsin. Tällaiset laitteet voisivat itse asiassa auttaa tuottamaan sähköä Kuuhun.
Mahdollisuudet eivät lopu tähän. Vaikka olemme tällä hetkellä riippuvaisia Maasta tulevista materiaaleista voimaloiden rakentamisessa, tutkijat harkitsevat myös avaruudesta tulevien resurssien, kuten Kuusta löytyvien materiaalien, käyttämistä valmistuksessa.
Toinen suuri haaste on saada siirretty teho takaisin Maahan. Suunnitelmissa on muuntaa aurinkokennojen tuottama sähkö energia-aalloiksi ja siirtää ne sähkömagneettisten kenttien avulla alas Maan pinnalla olevaan antenniin. Antenni muuttaisi sitten aallot takaisin sähköksi. Japan Aerospace Exploration Agencyn johtamat tutkijat ovat jo kehittäneet suunnitelmia ja demonstroineet kiertoradalla toimivaa järjestelmää, jonka pitäisi pystyä tähän.
Alalla on vielä paljon tehtävää, mutta tavoitteena on, että aurinkovoimalaitokset avaruudessa olisivat todellisuutta tulevina vuosikymmeninä. Kiinalaiset tutkijat ovat suunnitelleet Omega-nimisen järjestelmän, jonka he pyrkivät saamaan käyttöönsä vuoteen 2050 mennessä. Järjestelmän pitäisi pystyä syöttämään huipputeholla 2 GW:n teho maapallon verkkoon, mikä on valtava määrä. Jos maapallon aurinkopaneeleilla haluttaisiin tuottaa yhtä paljon tehoa, niitä tarvittaisiin yli kuusi miljoonaa.
Pienemmät aurinkoenergiasatelliitit, kuten ne, jotka on suunniteltu käyttämään kuun kulkureita, voisivat olla toiminnassa vieläkin aikaisemmin.
Tiedeyhteisö eri puolilla maailmaa käyttää aikaa ja vaivaa avaruuden aurinkovoimalaitosten kehittämiseen. Toivomme, että niistä voisi jonain päivänä tulla elintärkeä väline taistelussamme ilmastonmuutosta vastaan.
Tämä artikkeli on julkaistu uudelleen The Conversation -julkaisussa Creative Commons -lisenssillä. Lue alkuperäinen artikkeli.
Seuraa kaikkia Expert Voicesin aiheita ja keskusteluja – ja tule osaksi keskustelua – Facebookissa ja Twitterissä. Esitetyt näkemykset ovat kirjoittajan omia eivätkä välttämättä vastaa kustantajan näkemyksiä. Tämä versio artikkelista julkaistiin alun perin Live Science -lehdessä.
Uudemmat uutiset