Ruimtegebaseerde zonne-energie
Stel je een gigantisch zonnepanelenveld voor, niet op een dak of in een veld, maar in een baan om de aarde op ongeveer 36.000 kilometer hoogte. Daar schijnt de zon vrijwel continu, zonder wolken, nacht of atmosfeer die het licht verzwakt. De opgewekte stroom wordt niet via een kabel naar de grond gestuurd — dat kan niet over zo'n afstand — maar als een onzichtbare microgolfbundel of laserstraal naar een ontvangstation op aarde gestuurd, waar hij weer wordt omgezet in elektriciteit voor het net.
Dat is in een notendop ruimtegebaseerde zonne-energie (in het Engels space-based solar power, afgekort SBSP). Het idee bestaat al sinds de jaren zestig, maar pas de laatste jaren is het dankzij goedkopere raketlanceringen en betere technologie voor draadloze energieoverdracht weer serieus onderzoek waard. Vergelijk het met een extreem grote, permanent in de zon gerichte spiegel die energie niet weerkaatst maar als radiosignaal doorstuurt naar een ontvanger zo groot als een voetbalveld.
Wat is het precies?
Het systeem bestaat in theorie uit drie onderdelen. Ten eerste een satelliet met enorme zonnepanelen, vaak kilometers breed, die in een geostationaire baan hangt: een baan waarin de satelliet altijd boven hetzelfde punt op aarde blijft staan. Op die hoogte is er nauwelijks een "nacht" — de aarde werpt maar een klein deel van het jaar een schaduw — waardoor de panelen bijna 24 uur per dag stroom kunnen opwekken.
Ten tweede wordt die elektriciteit omgezet in microgolfstraling (vergelijkbaar met de golven in een magnetron, maar veel minder geconcentreerd en dus veilig) of in een laserbundel. Een grote zendantenne, een phased array genoemd, stuurt deze bundel heel precies naar een vast punt op aarde.
Ten derde staat op aarde een ontvanger, een zogeheten rectenna (een samentrekking van rectifying antenna, een antenne die de ontvangen golven direct omzet in gelijkstroom). Zo'n rectenna kan tientallen vierkante kilometers beslaan, al blijft de bundel dusdanig verspreid dat de energiedichtheid onder de veiligheidsnormen blijft; mens en dier kunnen er zonder gevaar onderdoor lopen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grootste voordeel is dat zonnepanelen in de ruimte niet te maken hebben met nacht, seizoenen of bewolking. Op aarde levert een zonnepaneel gemiddeld zo'n 10 tot 25 procent van zijn maximale vermogen over een heel jaar; in de ruimte kan dat oplopen tot boven de 80 procent, omdat de zon vrijwel altijd schijnt en er geen atmosfeer is die licht filtert.
Daarmee zou ruimtezonne-energie een vaste, voorspelbare stroombron kunnen zijn die — in tegenstelling tot zonneparken en windmolens op aarde — niet afhankelijk is van het weer. Voorstanders zien het als aanvulling op andere duurzame bronnen, vooral om dag-nachtschommelingen in het elektriciteitsnet op te vangen zonder fossiele back-upcentrales. Het zou ook nuttig kunnen zijn voor afgelegen gebieden of rampgebieden, waar een ontvangstation sneller te bouwen is dan een heel elektriciteitsnet.
Tegelijk zijn er serieuze kanttekeningen: de kosten van de benodigde lanceringen, de complexiteit van het in de ruimte bouwen van kilometergrote structuren, en de vraag of het ooit goedkoper wordt dan zonneparken of kernenergie op aarde. Critici wijzen erop dat de businesscase tot nu toe vooral op aannames over sterk dalende lanceerkosten berust.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept werd in 1968 voor het eerst beschreven door de Amerikaanse ingenieur Peter Glaser, die het patenteerde als "satellite solar power system". Sindsdien zijn er wereldwijd diverse concrete projecten en proeven geweest:
- Caltech Space Solar Power Project (VS, 2023): het California Institute of Technology lanceerde in januari 2023 de testsatelliet SSPD-1 met daarop het experiment MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment). In mei 2023 slaagde het team erin om voor het eerst draadloos opgewekte zonne-energie vanuit de ruimte detecteerbaar naar een ontvanger op het Caltech-terrein te sturen.
- ESA-programma SOLARIS (Europa, vanaf 2022): de European Space Agency startte een voorbereidend onderzoeksprogramma om de technische haalbaarheid en kosten van ruimtezonne-energie in kaart te brengen, als basis voor een eventuele beslissing van de Europese lidstaten over een vervolgprogramma.
- Amerikaanse marine, PRAM-experiment (VS, vanaf 2020): het Naval Research Laboratory testte aan boord van het onbemande ruimtevliegtuig X-37B een paneel (Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module) dat zonlicht omzet en als radiofrequente energie kan uitzenden, als eerste stap richting een volledig systeem.
- China, testfaciliteit Xidian University (vanaf 2019, proef in 2022): Chinese onderzoekers bouwden een grondstation genaamd OMEGA om microgolf-energieoverdracht te testen, en China's ruimtevaartagentschap CAST heeft plannen voor kleinschalige demonstraties in de ruimte later dit decennium.
- Japan, JAXA-onderzoek (vanaf jaren negentig): Japan was een van de eerste landen met structureel overheidsonderzoek naar draadloze energieoverdracht vanuit de ruimte, met tests op de grond en kleinschalige experimenten in samenwerking met de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA.
Hoe ver is de techniek?
De afzonderlijke bouwstenen zijn inmiddels aangetoond: zonnepanelen in de ruimte zijn standaardtechniek (elk ruimtestation en satelliet gebruikt ze), en draadloze energieoverdracht via microgolven is op kleine schaal en over korte afstand in de ruimte gedemonstreerd, zoals bij het Caltech-experiment uit 2023. Wat nog ontbreekt, is het opschalen naar de enorme afmetingen die nodig zijn voor een nuttige hoeveelheid energie: om een vermogen te leveren dat vergelijkbaar is met een conventionele elektriciteitscentrale, zouden de zonnepanelen vele vierkante kilometers moeten beslaan.
Dat roept nieuwe technische vragen op: hoe bouw je zo'n structuur in de ruimte (robots of mensen die modules aan elkaar koppelen), hoe houd je hem stabiel gericht op zowel de zon als de ontvanger op aarde, en hoe voorkom je dat de bundel verschuift. Ook de lanceerkosten blijven een knelpunt: ondanks de daling dankzij herbruikbare raketten zoals die van SpaceX, is het de vraag of genoeg materiaal betaalbaar de ruimte in kan worden gebracht.
De meeste experts schatten dat een eerste commercieel bruikbaar systeem, als het er ooit komt, niet voor de jaren 2035-2050 gereed zal zijn. ESA's SOLARIS-programma moet rond het midden van dit decennium duidelijkheid geven of Europese lidstaten in een grootschalig vervolg willen investeren. Tot die tijd blijft het een veelbelovend maar onbewezen concept op schaal.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten doen vooral Caltech (met het Space Solar Power Project, gefinancierd door onder meer de Northrop Grumman-filantroop Donald Bren) en het Naval Research Laboratory van de Amerikaanse marine onderzoek. Ook jonge bedrijven zoals Virtus Solis Technologies proberen commerciële systemen te ontwikkelen.
In Europa trekt de European Space Agency (ESA) de kar met het SOLARIS-programma, met bijdragen van onder andere het Verenigd Koninkrijk, waar het bedrijf Space Solar en een door de Britse overheid gefinancierde haalbaarheidsstudie (uitgevoerd door ingenieursbureau Frazer-Nash) voor aandacht zorgden.
Japan heeft via JAXA en het ministerie van Economie, Handel en Industrie (METI) de langste onderzoekstraditie, daterend uit de jaren tachtig en negentig. China investeert via de China Academy of Space Technology (CAST) en universiteiten zoals Xidian University, met ambities om tegen 2028-2030 eerste demonstraties in een baan om de aarde uit te voeren.