‘Zonnepanelen in de ruimte zijn geen antwoord op het klimaatprobleem’

Zonne-energiecentrales in de ruimte, met constante zonneschijn en zonder verstorende wolken of lucht, lijken voor veel overheidsinstanties dé wonderoplossing om groene en goedkope energie te produceren. Maar schijn bedriegt, schrijven de Franse astrofysici Roland Lehoucq, Emmanuelle River en François Graner.

In de ruimte schijnt de zon altijd. Vandaar het idee om enorme zonnepanelen in een baan om de aarde te plaatsen om de mensheid van elektriciteit te voorzien. Geen wolken die in de weg zitten, geen wisselende dagen en nachten: zo wordt ‘intermittentie’ of onderbreking vermeden, een van de grootste nadelen van zonne-energie op aarde.

Een dergelijke orbitale zonne-energiecentrale werd voor het eerst voorgesteld in 1941 door Isaac Asimov in zijn korte verhaal Reason. Sindsdien heeft het idee aanhangers geworven en zich verspreid. De theorie is zo aantrekkelijk dat de directeur van het Europees Ruimteagentschap (ESA) in augustus 2022 liet weten dat zijn organisatie het bestudeert.

Londen wil 30 gigawatt aan zonnepanelen tegen 2045 in een baan om de aarde brengen, net als Washington en Peking die ook hebben aangekondigd hieraan te werken.

Is de piste om fotovoltaïsche centrales de ruimte in te sturen technologisch haalbaar? Misschien. Maar, zoals we zullen aantonen, biedt het geen antwoord op de urgentie van het klimaatprobleem.

Volle zon

Zonne-energie is in grote hoeveelheden beschikbaar en is verdeeld over het hele aardoppervlak, hoewel er gebieden zijn die meer ontvangen dan andere. In Marokko hebben ze 3000 uren zon per jaar, in Noorwegen ongeveer de helft.

De meest populaire optie op dit moment is om de verzamelde lichtenergie om te zetten in elektriciteit, die op haar beurt wordt omgezet in een microgolfstraal die naar onze planeet wordt gestuurd.

Bovendien genereert deze energie weinig afval, stoot ze geen broeikasgassen uit tijdens de productiefase en maar beperkt tijdens de hele levenscyclus - zeker vergeleken met fossiele brandstoffen.

Er zijn echter ook nadelen: zonnepanelen vereisen silicium en koper, en de zon verdwijnt ‘s nachts en als het bewolkt is.

Maar voor een orbitale centrale zijn er geen nacht en wolken. De zonnepanelen bevinden zich in een geostationaire baan - zo hoog dat een object stil lijkt te staan ten opzichte van het aardoppervlak - op 36.000 kilometer hoogte.

Ze zouden minder dan 1 procent van de tijd in de schaduw van de aarde staan. Dat is een stuk beter dan in een lagere baan: het internationale ruimtestation (ISS), 450 kilometer hoog, gaat regelmatig door de schaduw van de aarde en verliest zo ongeveer 30 procent van de zonne-energie.

Hoe sturen we energie naar de aarde?

Kabelstroom kunnen we al vergeten. Zo’n lange kabel, zelfs als die haalbaar is, zou vliegtuigen en satellieten storen.

Hoewel de wijze aantrekkelijker is, laten we ook de laser vallen. Zelfs bij gebruik in het golflengtebereik dat de atmosfeer toelaat, het ‘atmosferische venster’, zouden de interacties van de straal met de luchtmoleculen - absorptie en verstrooiing - de overdracht van energie zeer moeilijk maken, vooral wanneer de luchtvochtigheid en de bewolking hoog zijn.

De meest populaire optie op dit moment is om de verzamelde lichtenergie om te zetten in elektriciteit, die op haar beurt wordt omgezet in een microgolfstraal die naar onze planeet wordt gestuurd. Deze straal zou worden opgevangen door het verticale deel van het aardoppervlak, waar hij weer in elektriciteit zou worden omgezet.

Airbus maakte onlangs het succes bekend van een grondtest die het in München samen met het bedrijf Emrod uitvoerde: een zendantenne met een diameter van 2 meter, die een aanvankelijk vermogen van 10 kilowatt omzette in microgolven van 5,8 gigahertz, was in staat om 2 kilowatt over een afstand van 36 meter te geleiden.

Produceert het meer energie dan een elektriciteitscentrale?

Alleen al het feit dat bedrijven het proces testen suggereert dat het economisch haalbaar kan zijn. Maar de fysica legt enkele beperkingen op, in energiewinst, ruimtebeslag en uitvoeringstempo.

Een paar gigawatts die over tien tot twintig jaar in een baan om de aarde worden geplaatst, betekenen weinig tegenover de 66 gigawatts aan panelen die China alleen in 2022 op de grond installeert.

Het eerste voordeel op papier is dat een zonnepaneel in een geostationaire baan, altijd goed gericht op de zon, volgens onze berekeningen ongeveer drie keer zoveel energie zou leveren als zijn tegenhanger in een gebied met veel licht, zoals de Sahara. Dat lijkt aanzienlijk, maar is niet genoeg.

De dubbele conversie - van elektriciteit naar microgolven en dan weer terug naar elektriciteit - veroorzaakt de facto verliezen: momenteel gaat de helft van het vermogen verloren. De werkelijke winst, vergeleken met een aardse centrale, is dus niet driemaal, maar slechts anderhalf keer zoveel.

Kan dit cijfer het ongemak - of zelfs de onmogelijkheid - compenseren om in te grijpen voor het onderhoud ervan, en de kosten van materialen, energie, kapitaal en vervuiling die de lancering in een baan om de aarde met zich meebrengt?

Hoeveel ruimte zou het op aarde innemen?

Tweede voordeel op papier: de centrale in een baan om de aarde zou heel wat monopolisering en artificialisering, het verdwijnen van natuur, van het aardoppervlak vermijden. Die bespaarde ruimte kan dan dienen voor tal van andere toepassingen, zoals wonen, voedselteelt en natuurbehoud.

Desondanks is een zeer groot oppervlak op aarde nodig om de energie van een elektriciteitscentrale in de ruimte op te vangen, zelfs al zijn het maar enkele gigawatts.

Een microgolfstraal is geen dunne rechte lijn, noch een convergerende straal, zoals soms wordt voorgesteld. Het is een divergerende kegel met een fijn punt aan het begin en een brede basis aan het eind.

Dit verschijnsel wordt diffractie genoemd. Een NASA-studie analyseerde in 1978 al het geval van een zonne-energiecentrale in een baan om de aarde die 5 gigawatt energie zou kunnen leveren uit 75 gigawatt opgevangen zonlicht.

Daarvoor was een zendantenne met een diameter van 1 kilometer in een baan om de aarde nodig en een ontvangstantenne op de grond van 13 bij 10 kilometer ofwel iets meer dan de oppervlakte van Parijs. De energieoverdracht zou plaatsvinden met een microgolfstraal met een frequentie van 2,45 gigahertz.

De omvang van de antenne kan evenwel worden verkleind door een hoger frequentiebereik te gebruiken, maar in het allerbeste geval is voor de ontvangstantenne een landoppervlak van ongeveer 10 vierkante kilometer nodig.

De twee krachtigste zonne-energiecentrales op aarde zijn die in het Indische Bhadla, met een diameter van 8 kilometer, en in het Egyptische Benban, met een diameter van 7 kilometer. Die hebben om te vergelijken een geïnstalleerd vermogen van respectievelijk 2,2 en 1,7 gigawatt. De ruimtewinst valt met andere woorden tegen: de belasting op het aardoppervlak is van dezelfde orde als die van een installatie op de grond met een vergelijkbaar vermogen.

Urgentie

Laten we tenslotte denken aan de race tegen klimaatverandering. We moeten zo snel mogelijk heel wat thermische centrales sluiten. Een paar gigawatts die over tien tot twintig jaar in een baan om de aarde worden geplaatst, betekenen weinig tegenover de 66 gigawatts aan panelen die China alleen in 2022 op de grond installeert.

Bovenal moeten we ons totale energieverbruik massaal terugdringen om de huidige crisis in energie, hulpbronnen en milieu te bezweren. De enige volledig schone energie is de energie die niet wordt verbruikt.

Deze opiniebijdrage is oorspronkelijk verschenen bij IPS-partner The Conversation.