Zonne-energie in de ruimte: zin of onzin?

Volgens diverse populair-wetenschappelijke websites is het dé oplossing voor het wereldenergietekort: zonnepanelen in de ruimte. Wat zijn de voor- en nadelen van het toepassen van satellieten die zonne-energie in de ruimte verzamelen? Een analyse.

Hoe zullen de zonnecentrales er in de praktijk uit zien?
Een zonnecentrale zweeft boven de aarde om het zonlicht in de ruimte op te vangen. Omdat er helaas nog geen ruimtelift bestaat, moet de opgevangen zonne-energie draadloos naar de aarde worden gezonden en daar worden omgezet in elektriciteit. In diverse plannen worden hiervoor microgolven (bekend van de magnetron), een soort radiogolven, voorgesteld.
In de voorgestelde configuratie worden de zonnepanelen in een geostationaire baan (GEO) om de aarde gebracht. Deze hoogte, op rond de 35 786 km boven zeeniveau, heeft als voordeel dat de satelliet altijd boven dezelfde plek blijft zweven. GEO is uiteraard een gewilde plek voor bijvoorbeeld communicatiesatellieten; op dit moment zweven al veel satellieten in GEO.

Wat zijn de voordelen van een zonnecentrale in de ruimte?

• De satelliet ontvangt bijna 24 uur per dag zonlicht, waardoor de zonnecentrale vrijwel continu vermogen kan leveren, ook als zonnepanelen op het aardoppervlak in de nachtzone terecht komen. De satelliet kan zo manoeuvreren, dat het zonnepaneel altijd loodrecht op de zon staat en zo maximaal rendement haalt. Door dit effect alleen al levert een zonnepaneel in de ruimte meer dan twee keer zoveel vermogen als een zonnepaneel op de evenaar, de gunstigste locatie, geografisch gezien.
• Atmosferische gassen absorberen geen zonnestraling. Naar schatting levert dit zo’n 44% vermogenswinst op. Dit voordeel wordt nog groter vergeleken met niet-woestijnachtige gebieden waar het vaak bewolkt is.
• Door het ontbreken van een atmosfeer zijn er geen problemen door slechte weersomstandigheden.
• Er is geen land nodig om de zonnepanelen op te plaatsen.
• Door de draadloze transmissie kan de zonnecentrale energie sturen naar de punten waar er tekort aan elektriciteit is, bijvoorbeeld in delen van de wereld waar het avond of winter is.
• Ieder land kan zijn eigen zonnecentrale in een baan om de aarde plaatsen. Hierdoor is het land niet meer afhankelijk van het buitenland. Voor bijvoorbeeld Japan is dat een groot voordeel.

.. en de nadelen?

• De ruimte is een uitermate slopende omgeving. Kosmische deeltjes bewegen met procenten van de lichtsnelheid door de ruimte en laten weinig heel van zonnepanelen. Dit halveert in de praktijk hun levensduur.
• Ontelbare micrometeorieten bewegen met tientallen kilometers per seconde door het heelal. Ook deze beschadigen een zonnepaneel.
• Een zware zonnevlam kan onvoldoende beschermde satellieten roosteren.
• Er gaat het nodige vermogen (vijftien tot vijftig procent) verloren als de zonne-energie in de vorm van microgolven naar de aarde wordt gestuurd.
• De lanceerkosten zijn hoog. Om aan het aardse zwaartekrachtsveld te ontsnappen is minimaal 17,4 kWh aan energie per kg massa nodig. Daarbij komt nog de gepeperde prijs voor de raket en het feit dat een raket verre van efficiënt werkt.
• Reparaties vereisen een dure bemande vlucht, al zou je dit in principe op kunnen lossen door van op afstand bedienbare robots in te zetten.
• Er moet een ontvangststation voor de straling worden ingericht. Dit moet voldoende ver van de bewoonde wereld worden ingericht en een enorme diameter hebben: rond de 10 km doorsnede. Ter vergelijking: een dergelijke oppervlakte, wanneer bedekt met zonnepanelen in de Sahara, is al groot genoeg om een derde van  Nederland van energie te kunnen voorzien. We weten overigens ook niet of deze microgolfstraling niet schadelijke biologische gevolgen heeft. Uit experimenten in Wageningen blijkt dat in ieder geval de hoogfrequente straling van WiFi-router mogelijk nare gevolgen op planten heeft.
• Wordt gekozen voor een geconcentreerde bundel op bijvoorbeeld een gebied van enkele hectares, dan ontstaan veiligheidsrisico’s. Als een hacker besluit voor de gein de bundel op het hoofdkantoor van Goldman Sachs  te richten, of nog erger, ergens anders op, dan zijn de gevolgen vergelijkbaar met het gebakken worden in een magnetron.

Het Franse ruimtevaartbedijf Astrium ontwikkelde dit concept.

Doen of niet doen?
De huidige voorgestelde vorm is in ieder geval onzinnig. Er zal of een veilige, maar enorm grote constructie voor veilig vermogenstransport moeten komen, of een onveilige, geconcentreerde richtantenne. Het is verstandiger om zonnecentrales drijvend op zee of in de woestijn (plus op daken van huizen en bedrijven) neer te zetten. Dit is veel goedkoper.

Als met de komst van een ruimtelift het transmissieprobleem is opgelost, wordt het wel interessant. Aan de ruimtelift zouden dan enorme hoeveelheden zonnepanelen kunnen worden gekoppeld – koolstofnanovezels geleiden redelijk goed stroom.

Zinniger is het idee om delfstoffen te gaan winnen op de maan of planetoïden, aangedreven door zonne-energie. De gesmolten ertsen kunnen met een maglev-rail worden gelanceerd richting aarde of, nog slimmer, op de maan worden gebruikt voor het fabriceren van ruimtevaartuigen waarmee de rest van het zonnestelsel kan worden gekoloniseerd. Ook kunnen zeer energievretende fabricageprocessen – denk aan het fabriceren van koolstofnanovezels en kunstdiamant – in de ruimte uitgevoerd worden, waarbij dan zonne-energie gebruikt wordt.