Tähän asti suurin avaruusrakennelma on Kansainvälinen avaruusasema ISS. Euroopan avaruusjärjestön Esan suunnitelmissa on kuitenkin paljon suurempi hanke.
Esan aikeissa on tyydyttää osa ihmiskunnan valtavasta päästöttömän energian tarpeesta rakentamalla massiivinen aurinkovoimala avaruuteen. 36 000 kilometrin päässä Maasta kiertävä voimala tuottaisi sähköä miljoonalle eurooppalaiselle kotitaloudelle.
Voimalan pinta-ala olisi 15 neliökilometriä. Hanke voi kuulostaa suuruudenhullulta, mutta tutkijoiden mukaan tarvittava tekniikka on jo olemassa ja laskelmien mukaan voimalan sähköntuottoteho olisi niin hyvä, että se kannattaisi myös taloudellisesti.
”Avaruudessa tuotettu aurinkosähkö olisi tärkeä askel kohti Euroopan hiilineutraalisuutta ja energiaomavaraisuutta.” Josef Aschbacher, Esan pääjohtaja
Solarikseksi ristityn hankkeen toteuttaminen on silti huomattava ponnistus. Insinöörien ratkaistavana on muun muassa, miten kahdentuhannen jalkapallokentän kokoinen rakennelma viedään avaruuteen ja levitetään toimintakuntoon. Myös sähkön siirtäminen Maahan vaatii erikoisratkaisuja.
Esa etsii ratkaisuja suunnitelmasta, joka on ollut pöytälaatikossa jo 55 vuotta.
Ilmakehä heijastaa auringonvaloa pois
Ajatus aurinkokennojen rakentamisesta avaruuteen ei ole uusi. Jo vuonna 1968 yhdysvaltalais-tšekkiläinen Peter Glaser esitteli suunnitelman, miten aurinkokennoilla voitaisiin tuottaa sähköä satelliiteissa ja siirtää Maahan.
Glaser laski, että aurinkovoimalat kannatti sijoittaa Maan ulkopuolelle, vaikka niiden asentaminen ja ylläpito avaruudessa on hankalampaa kuin Maan päällä.
Yksi suuri tekijä on se, että Maan ilmakehä heijastaa merkittävän osan auringonvalosta takaisin avaruuteen. Noin 30 prosenttia auringonvalosta jää maanpäällisten aurinkovoimaloiden ulottumattomiin.
Maan päälle tulevan auringonsäteilyn määrää vähentävät myös pilvien ja sumun aiheuttama sironta, joka hajottaa auringonvaloa eri suuntiin. Ilmakehän yläosissa auringonsäteily onkin noin kymmenen kertaa niin voimakasta kuin maanpinnan tasolla. Mitä kauemmaksi Maan pinnasta aurinkokennot saadaan, sitä enemmän sähköä niillä voidaan tuottaa.
Viimeisin mutta ei lainkaan vähäisin avaruusaurinkokennojen etu on se, että avaruudessa paistaa aina Aurinko.
36 000 kilometrin korkeudessa on aina aurinkoista. Siksi aurinkovoimala kannattaa rakentaa sinne.
Aurinkovoimala on määrä viedä 36 000 kilometrin korkeuteen niin sanotulle geostationaariselle radalle, missä se pysyy koko ajan samassa pisteessä Maan pintaan nähden. Siellä Aurinko paistaa 99 prosenttia ajasta.
Voimalan aurinkokennot muuttaisivat Auringon säteilyenergian sähköksi, joka siirrettäisiin Maahan. Se vaatisi erikoisratkaisuja, sillä sähkö pitäisi siirtää langattomasti.
Peter Glaserilla on ehdotus myös siitä, miten sähkönsiirto järjestettäisiin. Hän esittää, että sähkö muutetaan sähkömagneettisiksi aalloiksi ja säteilytetään Maahan.
Sähkö muuttuu mikroaalloiksi
Elektroneja, jotka vapautuvat, kun auringonsäteily osuu aurinkokennoihin, ei voi lähettää Maahan sellaisenaan. Jos ne sen sijaan muutetaan esimerkiksi mikroaaltosäteilyksi, ne voidaan siirtää tuhansien kilometrien päähän.
Periaate on lainattu mikroaaltouunista. Siinä elektronit johdetaan niin sanottuun magnetroniin, joka muuttaa ne mikroaaltosäteilyksi. Mikroaallot voidaan lähettää antennin kautta kohti Maata.
Aurinkosähkö säteilee Maahan
Kaukana ilmakehän tuolla puolen kiertävä avaruusaurinkovoimala muuttaa auringon säteilyenergian sähkövirraksi, joka siirretään Maahan mikroaaltoina.
1. Aurinko paistaa ympäri vuorokauden
Aurinkovoimala sijoitetaan 36 000 kilometrin päähän Maasta. Siellä voimalan kennoihin paistaa Aurinko lähes tauotta. Voimala on geostationaarisella radalla, eli sen paikka Maan pinnalla olevaan vastaanottoasemaan nähden ei muutu.
2. Auringonvalo muutetaan mikroaalloiksi
Aurinkokennojen tuottamat elektronit eli sähkövirta johdetaan magnetroniin, jollainen on myös mikroaaltouunissa. Se synnyttää magneettikentän, johon osuessaan sähkövirran elektronit muuttuvat mikroaalloiksi.
3. Sähkö säteilee Maahan
Mikroaalloiksi muutettu sähkö lähetetään antennin kautta kohti Maassa olevaa vastaanottoasemaa. Mikroaallot pidetään vähäenergiaisina, joten ne eivät vahingoita eläimiä tai ihmisiä, jotka osuvat sähkönsiirtoaaltojen tielle.
4. Mikroaallot muutetaan sähköksi
Maan päällä mikroaaltoja vastaanottaa asema, jonka pinta-ala on 71 neliökilometriä. Vastaanottoasemalla on niin sanottuja rektenneja, jotka muuttavat mikroaaltojen energian sähköverkkoon johdettavaksi sähkövirraksi.
Mikroaaltojen etu on niiden pieni aallonpituus. Sen ansiosta ne pääsevät kulkemaan ilmakehän molekyylien häiritsemättä Maan pinnalle ilman suurta hävikkiä.
Tosin tähän mennessä kukaan ei ole lähettänyt mikroaaltoja niin pitkän välimatkan poikki kuin Solaris-voimalassa tarvitsisi. Aurinkoenergian muuttamista mikroaalloiksi on kuitenkin testattu avaruusaluksessa olevalla aurinkokennolla. Vuodesta 2020 lähtien käynnissä olleen testin tulokset on määrä julkaista vuonna 2023.
Maassa voimalasta tulevat mikroaallot vastaanotetaan rektenneilla. Ne ovat antenneja, jotka muuttava mikroaaltojen sähkömagneettisen energian tasavirraksi. Esan laskelmien mukaan vastaanottoaseman pinta-ala olisi noin 71 neliökilometriä.
Toinen vaihtoehto on muuttaa aurinkokennojen tuottama sähkö laservaloksi ja suunnata se Maan pinnalla oleviin aurinkokennoihin, joissa siitä syntyy sähköä samalla tavalla kuin auringonvalosta.
Aurinkosähkön muuttamista mikroaalloiksi testataan miehittämättömässä avaruusaluksessa olevalla 30 sentin kokoisella aurinkokennolla. Kennon on kehittänyt yhdysvaltalainen Paul Jaffe.
Riippumatta siitä, mikä sähkönsiirtotekniikka Solarikseen valitaan, hankkeen heikko kohta on sähkön siirtäminen avaruudesta Maahan. Kun sähköä muutetaan mikroaalloiksi ja päinvastoin, energiaa aina häviää.
Avaruusaurinkovoimalat eivät myöskään yksinään ratkaise kasvavaa vihreän energian tarvetta. Esan laskelmien mukaan 20–25 avaruusaurinkovoimalalla voitaisiin tyydyttää 10 prosenttia EU-maiden vuoden 2050 sähköntarpeesta.
Aurinkokennot taitellaan kuin origami
Vaikka avaruusaurinkovoimala voi kuulostaa tieteisfantasialta, Esa painottaa, että sen toteuttamiseen tarvittava tekniikka on olemassa. Tosin tekniikkaa ei ole aikaisemmin sovellettu näin suureen rakennelmaan avaruudessa.
Tähän asti suurin teknologinen saavutus avaruudessa on Kansainvälinen avaruusasema ISS, joka aurinkokennoineen on noin jalkapallokentän eli 7 100 neliömetrin kokoinen. Se on paljon mutta Solarikseen verrattuna vähän. Solariksen pinta-ala olisi yli 15 neliökilometriä, eli se olisi yli 2 000 kertaa ISS:n kokoinen.
15 neliökilometriä. Niin suuri avaruusaurinkovoimala olisi. Se on yhtä paljon kuin 2 000 jalkapallokenttää.
Tutkijoiden mukaan Solariksen kehittäminen kestäisi 5-10 vuotta. Tosin robotit, joiden on määrä asentaa aurinkokennot Maata kiertävälle radalle, ovat valmiita ehkä vasta 10-20 vuoden päästä.
Robotteja joko kauko-ohjataan Maasta tai ne asentavat aurinkokennojen, anturien, moottorien ja mikroaaltolähettimien kaksi miljoonaa komponenttia paikoilleen omin avuin.
Kilpailija ydinvoimalle
Miljoonien osien kuljettaminen avaruuteen on valtava urakka. Kalifornian teknillisen korkeakoulun Caltechin tutkijat yrittävät keventää työtaakkaa kehittämällä uudenlaisia aurinkokennoja.
Uuden aurinkokennokalvon sähköntuotantoteho kiloa kohti on 50–100 kertaa niin suuri kuin tavanomaisissa kennoissa, ja se voidaan asentaa ohuen komposiittimateriaalin päälle. Yhdessä mikroaaltoantennien kanssa kennon paksuus on vain muutamia millimetrejä.
Aurinkokennot pannaan rullalle
15 neliökilometrin kokoinen aurinkovoimala on iso kuorma kuljetettavaksi. Kalifornian teknillisessä korkeakoulussa Caltechissä on kehitetty erikoisohut aurinkokennokalvo, joka voidaan kiertää rullalle kuljetuksen ajaksi. Kun rulla on saatu perille Maata kiertävälle radalle, rullan sisällä oleva moottori avaa kennorullan ja levittää sen aurinkovoimalan osaksi.
Rullattava aurinkokenno on kustannustehokas ratkaisu. Rullassa kennot vievät vain vähän tilaa, mikä vähentää kalliiden rakettilentojen tarvetta. Perillä geostationaarisella kiertoradalla rullat levitetään aurinkokennoiksi. Caltechin tutkijat ovat arvioineet, että Solaris-voimala kannattaa koota 60 x 60 metrin kokoisista kennoista.
Niin kuin kaikessa energiantuotannossa, myös Solariksen menestys riippuu siitä, paljonko sillä tuotettu kilowattitunti maksaa asiakkaille.
Avaruusaurinkovoimalan rakentaminen on kallista. Ensimmäisen laitoksen rakennuskustannuksiksi on arvioitu 13 miljardia euroa. Seuraavat laitokset ovat jo halvempia. Tauottoman auringonsäteilyn ansiosta sähkön hinta kilowattituntia kohti kuitenkin on kilpailukykyinen Maan päällä ydin-, tuuli- tai aurinkovoimalla tuotetun sähkön kanssa.
Näyttää siis siltä, että Peter Glaserin idea 55 vuoden takaa voi hyvinkin toteutua. Valitettavasti hän ei itse pääse kokemaan avaruussähköä kotinsa pistorasiassa. Glaser kuoli 90-vuotiaana vuonna 2014.
