Transport av energi från rymdenMVKN10 Energitransporter

2

Innehållsförteckning1. Inledning..............................................................................................................................................3

1.1 Bakgrund...........................................................................................................................................3

1.2 Syfte...................................................................................................................................................3

2. Solar Power Satelite (SPS)....................................................................................................................4

2.1 Tekniken............................................................................................................................................4

2.2 Kostnader för SPS..............................................................................................................................5

3. Lunar Solar Power(LSP)........................................................................................................................7

3.1 Tekniken............................................................................................................................................7

3.2 Kostnader för LSP..............................................................................................................................7

4. Överföring av eleffekt till jorden..........................................................................................................9

4.1 Övergripande om tekniken................................................................................................................9

4.2 Mikrovågor........................................................................................................................................9

4.3 Laser..................................................................................................................................................9

4.4 Hälsoeffekter...................................................................................................................................10

5. Helium-3 från månen.........................................................................................................................11

5.1 Månens helium-3 tillgångar.............................................................................................................11

5.2 Fusionsteknik...................................................................................................................................11

5.3 Månbas............................................................................................................................................11

5.4 Utvinningsutrustning.......................................................................................................................12

5.5 Transport av helium-3.....................................................................................................................13

5.6 Energy packback ratio......................................................................................................................13

6. Sammanfattning................................................................................................................................15

Källförteckning...........................................................................................................................................16

Jonas Svensson & Lars NilssonInlämnat: 12 december 2009

3

1. Inledning

1.1 BakgrundDebatten om klimatpåverkan och de ändliga resurserna i jordens energisystem gör att man på längre sikt måste finna och utveckla nya energikällor. Allt fler blickar vänds bort från de fossila bränslena och i riktning mot alternativa, gärna förnybara, energikällor. Kanske finns en del av energiproblemet lösning utanför bår planets gränser. Den i stort sett outforskade rymden kan ha en stor potential att i ett långsiktigt perspektiv ge oss nya energikällor. I detta arbete koncentreras vi oss på två olika idéer för produktion och transport av energi från rymden till jorden. Den första är solceller i rymden. Genom att placera solcellerna i rymden, antingen i en omloppsbana runt jorden eller på månen, i stället för på jorden fås en rad fördelar. Den andra tekniken som vi lyfter fram är möjligheten att utvinna energi, i form av Helium-3, på månen. Båda dessa förslag innebär en rad fördelar mot nuvarande energisystem, men också mycket stora utmaningar, såväl kostnadsmässiga som tekniska.

1.2 SyfteSyftet med det här arbetet är att beskriva hur produktion och transport av energi från rymden till jorden skulle kunna gå till i framtiden.

4

2. Solar Power Satelite (SPS)

2.1 Tekniken

Figur 1: Enkel bild av SPS(Wikipedia, 2009)

Den första idén med att skicka upp satelliter i omloppsbana runt jorden för att omvandla solens energi till el lades 1968 fram av den amerikanske forskaren Dr Peter Glaser. Systemet kallas Solar Power Satelite, SPS. Transporten av energin till jorden skulle ske med hjälp av en sändarantenn som sänder mikrovågor mot jorden. Nere på jorden fångas mikrovågorna upp av en mottagarantenn (Rectenna) och omvandlas till el som distribueras ut på nätet. 1973 lyckades Glaser få ett amerikanskt patent på sin idé (Resource for Energy Research, 2000).

Den stora fördelen mot dagens konventionella solcellteknik är att solljuset har en högre effekt innan det

passerar jordens atmosfär. Standardvärdet för effekten vid jordytan är 950 jämfört med 1367 på höjden där satelliterna kan placeras (Lior, 2001). Även tillgängligheten ökar eftersom en satellit ger energi 24 timmar om dygnet till skillnad från jordbaserade system som maximalt kan arbeta under 12 timmar vid bra väder. Vid jordytan varierar den instrålande effekten beroende på solens läge. Vid

5

gryningen och skymningen är solljuset svagare vilket leder till minskad effekt. Antalet soltimmar varierar också beroende på var på jorden man befinner sig och vilken årstid som råder. Beroende på var på jorden man jämför med blir effekten i rymden 4-10 gånger högre än med solceller placerade på jorden. Eftersom solenergi från en satellit som kontinuerligt kan producera el utan avbrott slipper man problemet med hur man måste lagra energin för att använda när efterfrågan finns. För en liknande konstruktion på jorden måste ett förvaringssystem användas och man får dessutom stillestånd nattetid och vid dåligt väder.

Tekniken är flexibel eftersom det går att omvandla solenergin på ett flertal olika sätt. T.ex. genom direkt omvandling av solljuset till elektrisk energi med hjälp av en fotovoltaisk cell, ofta kallad solcell, eller genom att koka vatten och använda ångan i en termodynamisk cykel.

På den internationella rymdstationen ISS pågår just nu ett projekt där man använder solceller kombinerat med en termodynamisk cykel (Brayton) för att producera el.

Underhållsarbetet blir p.g.a. placeringen nämnvärt mer komplicerat att utföra på en satellit i omloppsbana runt jorden än på jordens yta. Det finns dock även saker som gör underhållsarbetet enklare i rymden. Eftersom påfrestningar från naturen och gravitationen är mycket mindre i rymden kan man därför bygga lättare konstruktioner. På jorden är ett av de största problemen med solceller att de blir smutsiga och om de inte rengörs minskar verkningsgraden. Det problemet finns inte i rymden .

Den stora akilleshälen för tekniken just nu är den låga verkningsgraden för solcellerna. För tillfället går det i massproducerade solceller att nå en verkningsgrad på ca 20 % och i laboratoriemiljö ca 40 %. Det sker en snabb utveckling av dem och man hoppas nå 35 % verkningsgrad för serietillverkade solceller inom ett par år. De vanligaste materialen idag är kisel och Galliumarsenid(GaAs) men den snabba utvecklingen gör att det hela tiden kommer nya material.

2.2 Kostnader för SPSDen amerikanska energimyndigheten, DOE, och NASA gjorde i slutet av 70-talet investeringsberäkningar på vad en storskalig anläggning skulle kosta. De kom fram till att kostnaden per installerad kW el skulle med dagens penningvärde bli någonstans mellan 1400 och 7000 dollar (Lior, 2001). Energimyndigheten ansåg att det var ett tekniskt genomförbart projekt men att den ekonomiska delen av projektet aldrig skulle gå ihop. Därför beslöt man att låta förslaget vila i tio år och sedan göra en ny bedömning om den tekniska utvecklingen skulle ha gjort projektet ekonomisk möjligt. Tyvärr genomfördes ingen ny utredning efter tio år. P.g.a. den ökande energianvändningen i samhället och klimatfrågan har projektet återigen blivit intressant och NASA återupptog forskningen i slutet av 90-talet. De senaste åren har utvecklingen gått snabbt framåt och ett flertal amerikanska företag ser på möjligheterna att utveckla kommersiella produkter. Den japanska rymdfartstyrelsen startade tidigare i år ett program där det utstuderade målet var att ha en satellit i drift innan 2030. Förhoppningar finns om att kunna producera el till ett pris på 0,09 dollar/kWh (Business Green, 2009).

Beräkningar har visat att man med den bästa teknologi kan man få ner investeringskostnaden till 35 dollar per installerad kW för en SPS (Lior, 2001).

6

En stor utvecklingsmöjlighet för branschen är att få ner kostnaderna för PV-cellerna och det hoppas man lyckas med inom en inte allt för avlägsen framtid. Tyvärr är problemet att man i framtiden inte kommer att slåss mot kolkraft och andra fossila bränslen utan man kommer att få en hel del konkurrens från på jorden baserade solceller eftersom även den tekniken blir lönsammare när priserna på solcellerna sjunker. Därför kan det bli problem med att få tekniken kommersiell.

Figur 2: Överblick av satellit och transport till jorden (Space Studies Institute, 2009)

7

3. Lunar Solar Power(LSP)

3.1 Tekniken

Den amerikanske forskaren David Criswell lade 1985 fram det första utkastet om att bygga solceller på månen (Kulcinski, 2004). Grundidén är densamma som för en satellit i omloppsbana runt jorden och månen kan ses som en stor satellit på ett större avstånd från jorden.

En stor nackdel för tekniken att bygga en bas på månen med solceller är precis som på jorden kan bara energin fås maximalt 50 % av tiden beroende på mörker nattetid. Därför krävs det ett antal olika insamlingsstationer samt sändarstationer för att få ett kontinuerligt flöde till jorden. Det tillkommer även förluster eftersom stationära solceller på månens yta inte alltid är optimalt riktade mot solen. En av fördelarna Criswell lägger fram med att använda månen som bas är att man kan använda material därifrån och inte behöver transportera lika stora mängder material från jorden. Ifall man väljer att använda månens egna material kommer solcellerna att använda kisel istället för galliumarsenid(GaAs) vilket har en betydligt lägre verkningsgrad än solceller av galliumarsenid. Avståndet till jorden blir mycket längre ifall stationen placeras på månen istället för i jordens omloppsbana. Därför behövs det en mycket större antenn för att skicka effekten till jorden.

3.2 Kostnader för LSPCriswell gjorde en studie 1996 av scenariot och fick fram att med dåvarande teknik kunde en verkningsgrad på 0,266 % nås. För att jordens energibehov skulle tillgodoses krävs 20000 GW vilket

Figur 3: Bild av hur LSP skulle kunna fungera i framtiden (Lior, 2001)

8

innebär att 15,3% av månens yta skulle behöva täckas med solceller. Investeringskostnaden blir totalt 22 biljoner dollar (Kulcinski, 2004). Kostnaderna fördelar sig på 5 biljoner dollar för att bygga upp solcellssystemet på månen och 17 biljoner för att bygga mottagare på jorden. Kostnaden per installerad kW skulle bli 1100 dollar. Utvecklingen av solceller har gått fram enormt mycket sedan 1996 och kostnaderna har sänkts kraftigt, men för att projektet ska kunna bli lönsamt måste kostnaden för att få ut personal och material i rymden minska kraftigt. Tyvärr finns det inga bra siffror på vad kostnaden skulle bli idag.

9

4. Överföring av eleffekt till jorden

4.1 Övergripande om teknikenTrådlös effektöverföring(Wireless Power Transmission) är en process för att transmittera energi från en energikälla till en last utan att de är sammanbundna med kablar. De två mest aktuella exemplen är laser och mikrovågor. En av de första som gjorde experiment med tekniken var den serbiske uppfinnaren Nikola Tesla . Han visade på världsutställningen i Chicago 1893 att det finns en stor potential för tekniken. Den första som lyckades skicka en kommunikationssignal utan kabel var den indiske fysikern Bose. Han lyckades få en klocka att ringa med hjälp av mikrovågor som han skickade iväg när han antände krut. Den första artikeln om möjligheterna att skicka elkraft med hjälp av mikrovågor publicerades 1961 av amerikanen William C Brown. Med stöd av försvarsindustrin utvecklade Brown sina idéer och visade i amerikansk kvälls-tv 1964 upp en modellhelikopter som hölls flygande bara med hjälp av mikrovågor. 1975 kunde han visa upp en anläggning som klarade av att skicka 30 kW en amerikansk mile med en verkningsgrad på 84 % ( IEEE Microwave Theory and Techniques Society, 2009).

4.2 MikrovågorTekniken går i korta drag ut på att mikrovågorna skickas mot jorden där de fångas upp av stora mottagarantenner och sedan omvandlas till elektrisk energi som körs in på elnätet. Forskare har visat att tekniken fungerar, men fram till för några år sedan var forskningen om tekniken inte särskilt intensiv.

För att mikrovågsstrålar ska fungera som transportmedel måste man använda frekvenser över 1 GHz. Överföringen blir som effektivast vid låga frekvenser främst eftersom störningar pga. väder vill undvikas. Dock har man stor konkurrens från bl.a. kommunikationsindustrin om utrymmen i frekvensbandet eftersom allt fler frekvenser är upptagna.

Mottagarantennerna på jorden måste vara stora och vilket leder till att uppförandet av dem är en betydande kostnad, ca 10 % för en SPS. Man får göra en avvägning här eftersom ifall man använder en större frekvens behöver man mindre mottagare men överföringseffektiviteten minskar. Grova uppskattningar visar att mottagarantennerna hade tagit upp mellan 1/10 och 1/15 av platsen som solcellerna hade tagit upp om de hade placerats på jorden . Den totala verkningsgraden man idag skulle kunna få på överföringen från rymdstationen till kunden är ca 35 % med en frekvens på 5.8 GHz eller 70 % för en frekvens på 2.3 GHz (Lior, 2001).

4.3 LaserEn teknik som idag inte är särskilt effektiv men som har stor potential är laser. Den fungerar genom att den tillgängliga energin i rymden konverteras till en laserstråle som sedan ritkas mot jorden och fångas upp med hjälp av solceller eller något medel som man kan använda i ett termiskt kraftverk för att sedan göra el av på jorden. Den stora akilleshälen med tekniken idag är att verkningsgraden för omvandlingen från elektrisk energi till en laserstråle är mycket låg, normalt under 5 %. Dock läggs det för nuvarande stor kraft på att utveckla ny teknik som kan ge verkningsgrader på över 20 % för processen (Lior, 2001).

10

En stor fördel med laser jämfört med mikrovågor är att det inte finns någon risk att den interfererar med kommunikationsutrustning på jorden. Nackdelen är att laserstrålar inte kan gå genom moln och precis som med mikrovågor måste de vara direkt riktade rakt mot målet.

4.4 HälsoeffekterDet finns ett motstånd mot att använda mikrovågor och laser som transportmedel. Forskning pågår inom området och det debatteras flitigt om magnetfält kan ge cancer. Forskningen inte kunnat visa att magnetfält leder till ökad mutering eller förändrar kromosomsammansättning, men att det är möjligt att det finns ett samband med cancer (Strålsäkerhetsmyndigheten, 2009). Även världshälsoorganisationen WHO har deklarerat att magnetfält möjligen kan vara cancerframkallande och därför bör man vara försiktig. Tyvärr finns det en del trade-offs man måste göra för att få överföringstekniken att fungera. Precis som med annan ny teknik är ekonomisk lönsamhet ett tufft mål att uppnå. För att få ner kostnaderna krävs det en hög intensitet för överföringen och därför kan det bli aktuellt att man måste ha restriktioner så att folk inte rör sig i närheten av antennerna. Vilken typ av restriktioner beror till stor del på tekniken och därför är de mycket svåra att förutspå. En annan farhåga har varit att man genom att rikta strålningen mot människor skulle kunna använda den i krig. Detta är dock inte möjligt eftersom frekvensen är för låg för att göra någon nämnvärd direkt skada på människor.

11

5. Helium-3 från månenDe senaste åren har intresset för månfärder ökat. USA, Japan, Indien, Kina och Ryssland har alla planer på att inom det kommande årtiondet göra bemannade månfärder. Detta skulle i så fall vara de första bemannade månresorna sedan 1970-talet och i de nya planerna ingår det att bygga baser på månen under den kommande 20-årsperioden. Dessa månbaser skulle till en början leverera vetenskapliga resultat som är viktiga för rymdforskningen. Kostnaderna för att uppföra en månbas är dock så stora att det på sikt krävs mer än bara forskningsresultat för att motivera de stora investeringarna . Genom att förbereda för utvinning av ämnen som är sällsynta på jorden ökar lönsamheten i månexploateringen. De ämnen som är mest intressanta är platinametaller och Helium-3. Helium-3, det vill säga en heliumatom där kärnan består av två protoner och en neutron, har en oerhörd energipotential. Ämnet är väldigt sällsynt förkommande på jorden, men på månen finns det i låga koncentrationer på månytan. Med endast 100 ton Helium-3 skulle man kunna försörja jorden med energi under ett helt år. (Stub, 2008)

5.1 Månens helium-3 tillgångarMånens yta består till största del av syre, kisel, aluminium, kalcium och järn. Helium 3 finns endast i mycket små halter, uppskattningsvis runt 0,01 ppm, men är ändå mycket mer vanligt förekommande än på jorden. Anledningen till att månens högre koncentration av helium-3 är att månen, till skillnad från jorden, saknar både magnetfält och atmosfär vilket gör att den i högre grad träffas av solvinden. Solvinden innehåller olika isotoper av väte och helium och genom miljontals år av bestrålning har helium-3 kunnat samlas på månens yta. Med den låga koncentrationen måste man bearbeta 100 miljoner ton av månens ytmaterial, kallad regolit, för att utvinna 1 ton helium-3. (Stub, 2008)

5.2 FusionsteknikFör att kunna ta till vara på energin i helium-3 krävs det att man lyckas bygga fusionsreaktorer, vilket anses vara en minst lika stor utmaning som starta utvinningen på månen. Genom att fusionera helium-3 och tritium, en väteisotop med två neutroner, frigörs stora mängder energi. För att tvinga fram denna reaktion krävs väldigt höga temperaturer. Idag forskas det främst på vätefusion och man har ännu inte nått det kritiska stadiet där processen ger mer energi än vad man stoppar in. De höga temperaturerna sätter höga krav på material och eftersom fusion med helium-3 kräver ännu högre temperaturer än vätefusionen ligger denna troligen längre in i framtiden. Med tanke på att vätefusionen anses vara möjlig först i mitten av detta sekel ligger en eventuell helium-3 reaktor ännu längre in i framtiden. Fördelen med att använda helium istället för väte är att man fusionsförloppet kommer att vara långsammare och därmed lättare att kontrollera. (Williams, 2007)

5.3 MånbasDet första som krävs för att kunna utvinna helium-3 från månen är en månbas där människor kan bo. Parallellt med att forskarna på månbaserna forskar om månens uppkomst kan de ta borr prover för att ta reda på hur helium-3-halterna varierar med olika djup och på olika platser på månen. Därigenom kan man få mer tillförlitliga värden för att kunna beräkna lönsamheten i en framtida storskalig utvinning. När

12

man vet förutsättningarna för utvinningen blir det lättare att motivera en stor investering i utvinningsutrustning. (Stub, 2008)

5.4 UtvinningsutrustningDet finns inte så mycket information om hur framtida utvinningsutrustning på månen kan komma att se ut eftersom eventuell tillverkning av dessa maskiner ligger många år in i framtiden. Vid University of Wisconsin finns en av de få institutioner i världen som studerar möjligheterna att utvinna Helium-3 på månen. Det har tagit fram förslag på hur framtida utvinningsmaskiner skulle kunna se ut. Enligt deras framtidsvisioner krävs verkligt storskalig produktion vilket skulle medföra att så mycket som en tredjedel av världens energibehov vid nästa sekelskifte skulle täckas av energi från Helium-3 fusion.

Utvinningen skulle lämpligen ske i dagbrott där stora utvinningsmaskiner, liknande de som används i dagbrott på jorden, bearbetar de 3 översta metrarna av månytan. Maskinerna skulle vara automatiserade för att minska behovet av arbetskraft på månen. Varje utvinningsmaskin rör sig framåt med en hastighet av 23 meter i timmen och bearbetar 1 kvadratkilometer av månytan om året. Materialet som bearbetas värms upp till 700oC och gör att ämnena man vill åt förångas. Värmen till upphettningsprocessen fås från speglar som koncentrerar det infallande solljuset. Bränsle till hjuldriften kan fås från syre och väte som utvinns i processen och som sedan kan användas i bränsleceller. Efter förångningen lagras den frigjorda gasen i gastuber. Gaserna separeras sedan i en separationsanläggning. Genom att utvinna annat än bara Helium-3, som exempelvis syre och väte, skulle man kunna öka lönsamheten och göra månen självförsörjande av både raketbränsle och syre till människorna. Ständig bemanning på månbasen är ett måste för att kunna reparera och sköta underhåll på utvinningsutrustningen. (White, 1998)

Figur 4: Utvinningsmaskin på månen. (White, 1998)

13

5.5 Transport av helium-3De största rymdraketerna som hittills byggts är Saturn V, som NASA använde under Apolloprogrammet på 60- och 70-talet. Dessa hade en lastkapacitet på 50 ton. Eftersom rakettillverkningen gjort en del framsteg sedan dess kan lastkapaciteten utvidgas till åtminstone 100 ton och fraktkostnaderna skulle kunna minskas till 3500 dollar per kilogram. (Schmitt, 2004)

5.6 Energy packback ratioDen mest heltäckande rapporten inom ämnet har gjorts av White vid University of Wisconsin. I en rapport har han gjort beräkningar för lönsamheten i att använda helium-3 som en framtida energikälla. I rapporten räknar han med att helium-3 kan nå samma andel av den totala elproduktionen i USA som fissionskraften har i landet idag. Utifrån information om hur den framtida utvinningen skulle kunna gå till har han beräknat en energy payback ratio för helium-3. Genom att dividera energin som fås ut från fissionsreaktorerna med energin som krävs för utvinning, transport och byggande av kraftverk fick de fram att helium-3-fusion ger 31 gånger mer energi än vad den kräver. Detta värde jämfördes sedan med en rad andra energikällor och det visade sig att helium-3 hade högst värde av alla, se figur 5. Största delen av energin som krävdes för att utvinna energi ur helium-3 var transportkostnaderna för att skicka utvinningsutrustning till månen och helium-3 till jorden.

Eftersom University of Wisconsin är i stort sett ensamma om att forska om helium-fusion och därför finns det tyvärr inga andra studier att jämföra med. En eventuell uppbyggnad av helium-3-kraftverken ligger också så långt in i framtiden att det är svårt att uppskatta hur stort jordens energibehov är då och vilka alternativa energikällor som finns då. Alla siffror som presenteras måste därför tas med en nypa salt eftersom allt bygger på uppskattningar. Bränsleåtgång i transsportfarkoster är exempelvis baserade på farkoster som endast finns beskriva i rapporter med framtida raketsystem. Osäkerheterna för hur mycket utvinningsbar materia som finns på månens yta är också stor eftersom man endast kan jämföra med ett fåtal provborrningar som gjorts vid månexpeditioner och dessa är kanske inte representativa för hela månens yta. (White, 1998)

14

Figur 5: Energy payback ratio för några olika energikällor. (White, 1998)

15

6. SammanfattningDe två teknikerna beskrivna i detta arbete kan eventuellt bli intressanta för energiproduktion någon gång i framtiden, men kostnaderna gör att de inte är genomförbara idag. De två alternativen representerar också två olika filosofier för att producera el. Med solcellerna har man en oändlig energikälla form av solen, medan fusionsalternativet mer liknar dagens energisystem som till stor del är baserat på ändliga energikällor. Å andra sidan är energikoncentrationen i heliumet så hög att det krävs oerhört lite av ämnet för att producera stora mängder energi och eftersom utvinningen inte sker på jorden är miljöpåverkan på jorden minimal. Solcellerna å sin sida kan, även om själva utvinningen är ren, orsaka problem då transporten av energi till jorden eventuellt kan vara farlig för människor.

I fråga om tidsaspekten hade man kunna skicka upp SPS:er redan idag om ekonomiska incitament funnits. Helium-3-utvinningen på månen ligger troligen längre in i framtiden och är också beroende av om man lyckas utveckla fusionsreaktorer som klarar bränslet.

16

KällförteckningIEEE Microwave Theory and Techniques Society. (2009, december 3). Retrieved from http://www.mtt.org/awards/WCB%27s%20distinguished%20career.htm

Business Green. (2009). Retrieved November 27, 2009, from http://www.businessgreen.com/business-green/news/2252827/japan-1gw-solar-space-station

Chabacano. (2009, December 3). Wikipedia. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/File:Space_solar_power.svg

Kulcinski, G. (2004, April 30). Lunar Solar Power Station. Retrieved November 27, 2009, from fti.neep.wisc.edu/neep533/FALL2001/lecture35.pdf

Lior, N. (2001). Power from Space. Energy Conversion & Management .

Resource for Energy Research. (2000, November 27). Retrieved November 27, 2009, from libraries.mit.edu/archives/exhibits/glaser/

Schmitt, H. (2004). Mining the Moon. Popular mechanics .

Space Studies Institute . (n.d.). Retrieved December 4, 2009, from http://spacestudiesinstitute.wordpress.com/about-the-space-studies-institute/

Space Studies Institute. (2009). Retrieved December 4, 2009, from http://spacestudiesinstitute.wordpress.com/about-the-space-studies-institute/

Strålsäkerhetsmyndigheten. (2009). Magnetfält.

Stub, H. (2008). Vi skördar energi på månen. Illustrerad vetenskap 3/2008 , s. 24-29.

White, S. (1998). Net energy payback ratio from Helium-3 fusion and Wind electrical power plants. Retrieved from University of Wisconsin: fti.neep.wisc.edu/pdf/fdm1093.pdf

Williams, M. (2007). Mining the Moon. Technology Review .

17

Fråga: Vilka fördelar finns det med ha solceller i omloppsbana runtjorden jämfört med att ha dem på jordytan?