So funktioniert die Weltraum-Photovoltaikanlage | Wissenschaft 2020

Anonim

Die japanische Weltraumbehörde (JAXA) und der Riese Mitsubishi haben sich seit einigen Jahren zusammengetan, um ein äußerst ehrgeiziges Projekt umzusetzen: eine riesige Photovoltaikanlage in die Umlaufbahn zu befördern, die Strom erzeugt und über ein drahtloses Übertragungssystem zur Erde überträgt. Die Raumstation sollte am Ende einer komplexen Reise im Jahr 2031 Realität werden, die von zahlreichen unbekannten Faktoren, einschließlich wirtschaftlicher Faktoren, untermauert wird, wie wir Ihnen hier sagten.

Inzwischen haben die Forscher jedoch einen neuen Meilenstein erreicht: Tests zur Energieübertragung über ein drahtloses System waren erfolgreich. Der Schritt nach vorne ist klein, aber substanziell und bildet das Lebenselixier des anscheinend ehrgeizigsten Programms für erneuerbare Energien der nächsten zwei Jahrzehnte.

Der Fortschritt eines Monstre-Projekts. Der Umfang des Projekts ist bereits aus einigen Zahlen ersichtlich. Die Weltraum-Photovoltaikanlage wird einen Durchmesser von mindestens vier Kilometern haben und über zehntausend Tonnen wiegen. Es wird auf einer Höhe von 36.000 Kilometern installiert und erzeugt 1 Gigawatt (GW) Strom, der dank einer Mikrowellentechnologie, die eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler darstellt, japanische Haushalte mit Strom versorgt. Aber das hat in diesen Tagen ermutigende Fortschritte gemacht.

Durch das oben erwähnte Mikrowellensystem ist es der JAXA tatsächlich gelungen, 1, 8 Kilowatt (kW) Strahlung an eine Rectenna (eine spezielle Antenne, die Mikrowellen direkt in Gleichstrom umwandelt) zu senden, die sich 55 Meter von der Signalquelle entfernt befindet. Laut der japanischen Raumfahrtbehörde wird erstmals so viel Energie millimetergenau übertragen. Gleichzeitig war Mitsubishi in der Lage, eine Strahlleistung von 10 kW über 500 Meter in der Luft zu erzielen. Dabei wurden große Antennen verwendet, die darauf ausgelegt waren, Leistung und Entfernung stärker zu berücksichtigen.

Die Tests wurden nicht zur Messung der Effizienz optimiert, daher lieferten weder JAXA noch Mitsubishi Daten, die eine Bewertung in diesem Sinne ermöglichen würden. Derzeit können wir uns nur auf die Schätzungen der JAXA vor einem Jahr verlassen: Ein 1, 6-Kilowatt-Mikrowellenstrahl soll in 50 Metern Entfernung eine Leistung von rund 350 Watt erzeugen.

Mikrowelle: warum? Theoretisch gibt es eine andere Methode zur drahtlosen Übertragung von Energie über große Entfernungen: den Laser. Was auch einen offensichtlichen Vorteil hat: Es kann bei sehr kleinen Wellenlängen (in der Größenordnung von Mikrometern) arbeiten und daher von Geräten mit relativ kleinen Abmessungen gesendet und empfangen werden. Diese Straße wurde jedoch gerade wegen der hohen Frequenzen als unpraktisch beurteilt: Ein Laserstrahl würde große Schwierigkeiten haben, die Erdatmosphäre zu überwinden, da er beispielsweise von den in den Wolken vorhandenen Wassermolekülen absorbiert oder dispergiert würde. Einfach ausgedrückt: Es würde nur bei gutem Wetter funktionieren. Das Problem kommt nicht in die Nähe von Mikrowellen, bei denen es sich um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen bis zu 10 Zentimetern handelt.

Image Kommt die Zukunft der erneuerbaren Energien aus dem Weltraum? | JAXA

Eine Idee, die von weitem beginnt. Die Realisierung der Weltraum-Photovoltaikanlage erfordert die Entwicklung des sogenannten Solar Power Satellite (SPS), der Solarkollektoren in geosynchroner Umlaufbahn, die durch den Photovoltaik-Effekt 24 Stunden am Tag (oder fast) Energie aus der Sonne gewinnen sollen. In den Korridoren der NASA gibt es seit den 1970er Jahren technologische Konzepte, aber trotz zahlreicher Studien zu diesem Thema hat keiner dieser Satelliten aufgrund der Kosten und zahlreicher technischer Hindernisse jemals das Licht der Welt erblickt. Die von JAXA könnte daher die erste SPS sein, die ins All fliegt: Um ihr Ziel zu erreichen, arbeiten japanische Wissenschaftler derzeit an zwei verschiedenen Projekten.

Das Grundprojekt. Die einfachste Idee ist, eine quadratische Platte von zwei Kilometern pro Seite zu verwenden. Das Modul hat zwei Seiten: Die obere Seite ist mit Photovoltaikmaterial bedeckt und dient zum Einfangen und Umwandeln von Licht in Elektrizität, während die untere Seite mit Sendeantennen übersät ist, die den zur Erde zu sendenden Mikrowellenstrom umwandeln. Über dem "Solarkraftwerk", in größerer Entfernung von der Erde, befindet sich eine kleine Kontrollstation, die über vier 10 km lange Kabel mit dem Mega-Panel verbunden ist. Durch ein Stabilisierungssystem mit Gravitationsgradienten wirkt die Kontrollstation als Gegengewicht zum Paneel, um die Anziehungskraft der Erde auszugleichen und die Zentrifugalkraft zu schwächen: Auf diese Weise bleibt der Satellit in einer stabilen Umlaufbahn um den Planeten. Das spart Millionen von Dollar an Treibstoff.

Das Problem bei dieser SPS ist, dass sie nicht ständig Energie produziert. Tatsächlich hat das Photovoltaik-Panel eine feste Ausrichtung und die Menge an Sonnenlicht, die auf es fällt, variiert erheblich während der geostationären Umlaufbahn.

Das fortgeschrittene Projekt. Um das Dilemma der Solarsammlung zu lösen, hat die japanische Weltraumbehörde ein weiterentwickeltes Konzept entwickelt, das die Verwendung von zwei riesigen reflektierenden Spiegeln vorsieht, in deren Mitte sich ein Satellit befindet, der mit zwei Photovoltaikmodulen und Antennen ausgestattet ist für Mikrowellen (um die Idee, eine Art Sandwich zu machen). Die Spiegel, die die Sonnenstrahlen 24 Stunden am Tag auf die Photovoltaikzellen richten, sind im freien Flug, das heißt, sie sind nicht miteinander verbunden oder mit der Sendegruppe verbunden.

Image Oben links das Basisprojekt, bei dem das Panel an die Leitwarte angehängt ist. Oben rechts das fortgeschrittene Projekt, bei dem zwei Spiegel im freien Flug verwendet werden, die das Sonnenlicht auf möglichst viele Photovoltaikmodule lenken. Unten das Pilotsignal, das von der Erde ausgeht und in Richtung Weltraum wandert, um der SPS genau anzuzeigen, wohin der Mikrowellenstrahl gerichtet werden soll. | John MacNeill / JAXA

Um eine Zukunft zu haben, muss in diesem Projekt die Entwicklung eines ausgeklügelten Flugplans berücksichtigt werden, der es den drei künstlichen Körpern ermöglicht, in der Formation zu bleiben. In dieser Hinsicht könnte der grundlegende Ausgangspunkt aus dem System stammen, das die Andockmanöver (die Kopplung der Sonden) auf der Internationalen Raumstation (ISS) regelt.

Fernübertragung. Der Prozess umfasst mehrere Schritte. Im Weltraum wird Sonnenlicht in kontinuierlichen elektrischen Strom (DC) umgewandelt, der in Form von Mikrowellen Tausende von Kilometern zurücklegt, bis er die Erde erreicht. Hier werden die von der Rectenna aufgenommenen Strahlungen in Gleichstrom umgerechnet; Dieser wird dank eines Wandlers schließlich in Wechselstrom (AC) umgewandelt und ist bereit, in das Stromnetz einzutreten.

Die drahtlose Übertragung ist, wie bereits erwähnt, eine der heikelsten Passagen. Die Mikrowellen werden von einer Reihe von Antennen mit einer Länge von ungefähr 5 Metern gesendet, von denen jede eine Vielzahl kleinerer Antennen aufweist - insgesamt benötigt die SPS ungefähr 1 Milliarde, um 1 GW Energie zu erzeugen. Um sicherzustellen, dass der Strahl sein Ziel auf der Erde erreicht, nehmen die Wissenschaftler die Verwendung eines Pilotsignals an, das sich in Raumrichtung bewegt und den Mikrowellen die "Straße" anzeigt, die genau zu den Empfangsantennen führt (die einen Bereich abdecken) von mehreren Kilometern).

Die Roadmap. JAXA plant, die erste SPS, die klein sein und nur wenige Kilowatt ausstrahlen wird, bis 2018 zu testen. Die nächsten Schritte werden eine 100-Megawatt-Version für 2021 und eine noch weiter fortgeschrittene 200-MW-Version bis 2028 sein. Die Inbetriebnahme der 1-Gigawatt-Pilotanlage ist stattdessen für 2031 geplant, die vorletzte Phase vor dem endgültigen kommerziellen Start im Jahr 2037.

Perfekt zubereitet? Für die Uneingeweihten ist die Frage mehr als berechtigt: Wird der Mikrowellenstrom nicht alles kochen, was er auf seinem Weg findet? Nun, er würde nicht einmal in der Lage sein, den Kaffee zu erhitzen. Der Strom aus der SPS hat eine Leistungsdichte von einem Kilowatt pro Quadratmeter, die fast der des Sonnenlichts entspricht. Da für Mikrowellen der Grenzwert für die menschliche Gesundheit bei 10 Watt pro Quadratmeter liegt, müssen Arbeiter in der Nähe der Empfangsantennen einfach Schutzanzüge tragen, eine Vorsichtsmaßnahme, die bereits in 2 Kilometern Entfernung von der Antenne nicht mehr erforderlich ist Website.