Energiecentrales in de ruimte: hoe ruimtetechnici elektriciteit naar de aarde willen stralen

Een decennia oude belofte wordt binnenkort werkelijkheid: onbeperkte zonne-energie uit de ruimte. De technische uitdagingen en kosten zijn enorm, maar er is veel voor te zeggen.

Zonnepanelen in de ruimte of vliegende spiegels om donkere delen van de wereld vanuit de ruimte te verlichten: in de afgelopen decennia zijn die concepten af en toe uit de la gehaald, vooral in tijden van hoge energieprijzen. Maar uiteindelijk werden ze terzijde geschoven. Al die zonnepanelen of spiegels in een baan om de aarde brengen zou gewoon te duur zijn.

Daar zou nu verandering in kunnen komen, althans volgens voorstanders van de technologie die hopen op ‘nog een pijl in de koker in de strijd tegen klimaatverandering’, zoals een Amerikaans rapport over het onderwerp het formuleert.

In de Verenigde Staten, Groot-Brittannië en Japan wordt onderzoek gedaan naar energieopwekking in de ruimte. Het Amerikaanse leger bestudeert de technologie om afgelegen bases van energie te voorzien. Bij vliegtuigbouwer Airbus zien ze er een manier in om vliegtuigen tijdens de vlucht van energie te voorzien. China wil in 2028 een testfaciliteit lanceren, twee jaar eerder dan oorspronkelijk gepland. Ook het Europees Ruimteagentschap (ESA) voert momenteel uitgebreid onderzoek naar de mogelijkheden van de technologie.

‘De prijzen voor zonnecellen en raketlanceringen zijn enorm gedaald’, vertelt Sanjay Vijendran. De Brit is hoofd van ESA’s Solaris-project, dat is gevestigd in het onderzoeks- en technologiecentrum in het Nederlandse Noordwijk. Vijendran werkte er eerder aan Marsmissies. Je zou kunnen zeggen dat de man houdt van gekke ideeën. Dat ziet Vijendran anders. ‘Dit is geen esoterische sciencefiction’, zegt Vijendran over de geplande energiecentrales in de ruimte. ‘Belangrijke spelers bekijken wat de mogelijkheden zijn op dat gebied.’

De herbruikbare raketten van SpaceX-oprichter Elon Musk hebben de transportkosten naar de ruimte de afgelopen jaren aanzienlijk verlaagd. Het ‘Starship’ dat Musk momenteel bouwt, zou een revolutie teweeg kunnen brengen – ook al moet het zijn eerste vlucht nog met succes voltooien.

Vorig jaar liet Esa twee studies uitvoeren naar de economische levensvatbaarheid van zonne-energie uit de ruimte. De conclusie was dat het proces in principe tegen de jaren 2040 zou kunnen renderen, hoewel er een miljardeninvestering voor nodig is. Maar dat zou ook het geval zijn voor bijvoorbeeld nieuwe kerncentrales.

Momenteel schrijven twee industriële consortia rapporten voor de ESA. Ze zouden in november of december van dit jaar beschikbaar moeten zijn. ‘Dit keer’, zegt ESA-medewerker Vijendran ‘gaat het over de mogelijke technische realisatie van een testsysteem. Wat daarbij opvalt, is dat naast de hoofdaannemers, het ruimtevaartbedrijf Thales Alenia Space en het managementadviesbureau Arthur D. Little, ook grote energiebedrijven – het Franse Engie uit Frankrijk en het Italiaanse Enel – betrokken zijn bij de planning.

Hoe werkt het?

Zonnepanelen worden per raket de ruimte ingestuurd en geassembleerd tot kilometers grote structuren. Dunne modules die worden uitgerold als een tapijt of structuren die zijn opgebouwd uit tegels zouden tot de mogelijkheden behoren. Het zou logisch zijn dat de zonnezeilen op een hoogte van precies 35.786 kilometer zouden vliegen – omdat satellieten daar net zo snel rond de aarde draaien als de aarde zelf. Dat betekent dat ze, zoals gebruikelijk bij communicatiesatellieten, altijd boven dezelfde plek op het aardoppervlak staan. En dat is belangrijk voor de volgende stap, waarbij de energie die wordt omgezet in microgolven of laserstralen naar de grond moet worden gestraald.

Het hele proces is echter zeer inefficiënt: elke vierkante meter zonnepaneel in de ruimte ontvangt ongeveer 1,4 kilowatt van de zon. Zelfs bij het omzetten van de energie in elektriciteit zou 70 à 80 procent verloren gaan, net als op aarde. Bij de elektriciteitscentrale in de ruimte zou het verlies nog groter zijn: Airbus-experts schatten dat de omzetting in microgolven, waarvan de golflengte vergelijkbaar is met die van een wifirouter, de efficiëntie met nog eens vijf procent doet dalen.

Airbus testte het proces vorig jaar op kleine schaal. Twee kilowatt elektriciteit moest niet vanuit de ruimte naar de aarde worden gestuurd, maar 36 meter verderop in een hangar bij München. Minstens 500 watt kwam daadwerkelijk aan. Een paar maanden geleden stuurden onderzoekers van het California Institute of Technology zelfs een onbekende maar ‘verifieerbare’ hoeveelheid energie van zijn kleine satelliet Space Solar Power Demonstrator One vanaf een hoogte van 525 kilometer naar de aarde. De vastgoedmiljardair Donald Bren had meer dan 100 miljoen dollar nagelaten aan de universiteit om energieopwekking in de ruimte te bevorderen.

In ieder geval is er nog een lange weg te gaan voordat het concept op grote schaal kan worden geïmplementeerd. Om anderhalf tot twee gigawatt aan elektrische energie op te wekken, zouden er zonnecellen met een oppervlakte van 10 tot 15 vierkante kilometer in de ruimte nodig zijn. En dan moeten de systemen nog beschermd worden tegen ruimtepuin, en moet men ervoor zorgen dat ze op een gegeven moment zelf geen gevaarlijk schroot worden.

Risico’s voor de aarde?

En dan is er nog het landgebruik op de grond. Eén ontvangststation zou zich over 70 vierkante kilometer moeten uitstrekken, afhankelijk van de frequentie van de gebruikte microgolfstraling. Voor de antenne zou een metalen net, vergelijkbaar met een gaashekwerk, aan masten boven de grond bevestigd kunnen worden. ’70 vierkante kilometer’, telt ESA-man Vijendran, ‘is vergelijkbaar met de grootte van een Duitse bruinkoolmijn in dagbouw. Misschien kunnen we een ervan ombouwen tot een ontvanger.’

Maar brengt de overdracht van grote hoeveelheden energie van de ruimte naar de aarde geen grote risico’s met zich mee? Hoe zit het met vogels die de straal kruisen – zullen zij dood neervallen? Hoe groot is het gevaar voor mensen op de grond? Zal de geconcentreerde straling hier misschien alles in lichterlaaie zetten? Vijendran kent die vragen en heeft antwoorden klaar. ‘250.250 watt per vierkante meter is het hoogste vermogen per oppervlak dat op de grond verwacht kan worden bij het transport van energie uit de ruimte. Hoewel die waarde boven de menselijke limiet ligt, is de middagzon sterker. Ons lichaam kan het aan. En een ontvangersysteem zou moeten worden voorzien van waarschuwingsborden, maar dat is geen reden tot paniek. Niemand vliegt in brand, niets wordt gefrituurd. In de winter gaan vogels op de antennes zitten om zich te warmen.’

Hoeveel moet dat kosten?

Eén ding is duidelijk: in de nabije toekomst zullen energiecentrales vanuit de ruimte aanzienlijk duurdere elektriciteit leveren dan zonnepanelen of windturbines op aarde. ‘Het gaat er niet om wind- en zonne-energie te vervangen’, zegt Vijendran. ‘We willen een extra voorraad creëren voor periodes waarin die bronnen niet beschikbaar zijn. Tegelijkertijd zou de behoefte aan langetermijnopslag van elektriciteit verminderen.’

De plannen kunnen het best vergeleken worden met de poging om energie op te wekken door middel van kernfusie. Dat proces is ook duur en in het gunstigste geval alleen op middellange termijn beschikbaar, maar er wordt nog altijd aan gewerkt. Alleen al Duitsland zal er de komende vijf jaar meer dan een miljard euro aan uitgeven, deels omdat enkele fundamentele technische kwesties nog moeten worden opgehelderd.

Voorstanders van zonne-energie uit de ruimte beweren daarentegen dat de technische aspecten zijn opgehelderd. ‘Er is niets dat nog uitgevonden hoeft te worden’, zegt Andrew Wilson van het Advanced Space Concepts Lab aan de Universiteit van Strathclyde in Schotland. Toch zou het transport naar de ruimte duur zijn.

Elon Musk: ‘Het stomste ding ooit’

Onder de critici van het proces is één stem bijzonder verrassend: SpaceX-oprichter Elon Musk heeft zonne-energie uit de ruimte omschreven als ‘het stomste ding ooit’. Als iemand voorstander zou moeten zijn van de productie van zonne-energie in de ruimte, verklaarde Musk een paar jaar geleden, dan is hij het wel. ‘Ik heb een raketbedrijf en een zonne-energiebedrijf. Ik zou enthousiast moeten zijn. Maar het is overduidelijk dat het niet zal werken.’ Het proces is veel te inefficiënt, zegt Musk. Volgens hem zou het installeren van extra zonnecellen op aarde logischer zijn.

Over ongeveer twee jaar beslissen de Europeanen of ze hun plannen doorzetten om energie op te wekken in de ruimte. De ESA-lidstaten moeten dan stemmen of ze geld beschikbaar stellen voor een testmissie. Die zou aan het begin van het nieuwe decennium van start kunnen gaan. ‘Het gaat om iets wat in één keer kan worden gelanceerd en niet in de ruimte in elkaar gezet hoeft te worden’, zegt projectleider Vijendran.

Het systeem dat hij voor ogen heeft, moet een vermogen hebben van één megawatt. De zonnepanelen op het internationale ruimtestation, die bijna een half voetbalveld groot zijn, leveren momenteel slechts ongeveer 0,2 megawatt. Maar naar aardse normen zou de output van de testfaciliteit piepklein zijn: de energiecentrales in de Duitse havenstad Hamburg alleen al hebben een geïnstalleerd vermogen van bijna 600 megawatt, terwijl die in Beieren een geïnstalleerd vermogen hebben van meer dan 33.000 megawatt.

Het is dus mogelijk dat Elon Musk en de critici uiteindelijk gelijk krijgen, en dat grootschalige energieopwekking in de ruimte opnieuw in de la verdwijnt.