Tenaga Surya Berbasis Luar Angkasa: Kebodohan Atau Kejeniusan?

Matahari selalu bersinar di luar angkasa, kecuali ada planet yang mengganggu. Itu kurang lebih pemikiran penting di balik tenaga surya berbasis ruang angkasa (SBSP) seperti yang baru dilontarkan oleh direktur jenderal ESA, Josef Aschbacher di Twitter. Alih-alih meletakkan panel surya fotovoltatik di permukaan bumi yang memiliki sifat menjengkelkan ini dengan terus-menerus memutar panel-panel tersebut menjauhi Matahari selama apa yang biasa disebut sebagai ‘malam’, panel-panel tersebut akan ditempatkan diam di ruang angkasa, tidak terpengaruh oleh rotasi bumi dan cuaca.

Meskipun idenya sederhana, itu membutuhkan pemecahan sejumlah masalah. Pertanyaan pertama yang jelas adalah bagaimana menempatkan panel-panel ini di luar angkasa, ratusan kilometer dari permukaan bumi, untuk menciptakan struktur yang berkali-kali lebih besar dari Stasiun Luar Angkasa Internasional. Pertanyaan berikutnya adalah bagaimana mengembalikan daya ke Bumi, diikuti dengan pertanyaan tentang keselamatan, pemeliharaan, kerugian transfer, dan ekonomi yang tak terhindarkan.

Dengan organisasi mulai dari NASA hingga Akademi Teknologi Luar Angkasa China (CAST), hingga lembaga AS dan lainnya yang terlibat dalam proyek SBSP, tampaknya masalah ini setidaknya dianggap dapat dipecahkan. Hal ini menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana proposal terbaru ESA cocok dengan gambaran ini. Akankah Eropa segera ditenagai dari susunan panel surya orbital?

Mengajukan Pertanyaan yang Tepat

Ringkasan sederhana tenaga surya berbasis ruang angkasa (SBSP).  Kredit: ESA.
Ringkasan sederhana tenaga surya berbasis ruang angkasa (SBSP). Kredit: ESA.

Pengumuman ESA tidak muncul begitu saja, tetapi mengikuti selesainya dua studi tentang topik yang ditugaskan pada awal tahun ini. Menurut studi ini, dimungkinkan untuk menyediakan listrik dengan harga bersaing ke rumah dan bisnis Eropa pada tahun 2040, dengan penjualan sebesar ini dapat mengurangi kebutuhan akan solusi penyimpanan utilitas jaringan skala besar.

Seperti yang telah kita bahas sebelumnya, penyimpanan tingkat jaringan akan berada di bawah tekanan untuk menjembatani penurunan produksi listrik tenaga surya. Satelit SBSP bagaimanapun akan memancarkan energi ke Bumi idealnya 24/7, memberi mereka kinerja yang mirip dengan pembangkit listrik tenaga nuklir dengan faktor kapasitas lebih dari 90%. Hal ini juga dicatat pada halaman ikhtisar ESA untuk SBSP dan khususnya proyek SOLARIS yang mereka usulkan.

Singkatnya, kurangnya atmosfer membuat solar berbasis ruang angkasa secara signifikan lebih efisien daripada solar berbasis Bumi, dengan satelit SBSP yang diproyeksikan membutuhkan sekitar 600.000 panel yang membentang lebih dari satu kilometer untuk menghasilkan sekitar 2 GW, mirip dengan pembangkit nuklir dengan dua reaktor. .

Untuk stasiun penerima berbasis darat – untuk gelombang mikro atau radiasi berbasis laser yang dipancarkan dari satelit SBSP – dibutuhkan jejak kaki sekitar sepuluh kali lipat (~10 km). Meskipun ini akan membuat tapak berbasis darat lebih kecil daripada sekitar enam juta panel surya PV ditambah kapasitas berlebih, itu akan memakan lebih banyak ruang secara signifikan daripada pembangkit listrik tenaga batu bara, gas, atau nuklir yang sebanding.

Pertanyaan di sini tampaknya mengembun menjadi dua pertanyaan utama, dengan asumsi bahwa bahan bakar fosil bukanlah pilihan:

  • Apakah SBSP bersaing dengan program tenaga nuklir yang dikelola dengan baik seperti di Korea Selatan dan Cina?
  • Apakah SBSP kompetitif dengan jaringan 100% terbarukan yang didukung sepenuhnya oleh penyimpanan?

Ladang Tambang Politik

Sangat disayangkan bahwa kebijakan energi sangat dipolitisasi. Ketika datang ke lapangan SOLARIS ESA, ini dapat dianggap sebagai cara untuk mendapatkan pendanaan yang disetujui untuk program roket angkat berat Eropa sendiri yang dapat bersaing dengan sesuatu di tingkat SpaceX’s Starship.

Ini adalah poin yang diangkat oleh Eric Berger dalam analisisnya, yang juga merujuk pada penolakan kuat Elon Musk terhadap SBSP, dan analisis tahun 2019 oleh fisikawan Casey Handmer dari SBSP. Handmer membahas gajah lain di ruangan itu, tentang efisiensi transmisi dan kerugian sistem secara keseluruhan. Daya dari panel surya harus diubah menjadi gelombang mikro untuk transmisi, ditransmisikan ke stasiun bumi, yang menangkap apa yang membuatnya melalui atmosfer menggunakan antena mesh logam raksasa, di mana ia harus diubah lagi menjadi bentuk yang dapat digunakan untuk listrik. kisi.

Kesan artis dari satelit tenaga surya.  Kredit: ESA.
Kesan artis dari satelit tenaga surya. Kredit: ESA.

Dengan asumsi efisiensi konversi 80% yang murah hati dari listrik PV ke gelombang mikro, ini juga akan membutuhkan satelit entah bagaimana menangani 400 MW panas limbah untuk array 2 GW di lingkungan di mana pelepasan panas terkenal sulit. Untuk transmisi gelombang mikro itu sendiri melalui atmosfer bumi, kerugian akan terjadi juga melalui redaman dan refleksi oleh air dan elemen lainnya (Karmakar et al., 2010).

Daya yang pada akhirnya akan diterima di tanah akan menjadi sama sekali tidak konstan, melainkan berfluktuasi dengan faktor-faktor seperti jumlah uap air antara satelit dan antena stasiun bumi. Dari 2 GW yang awalnya ditangkap, 1,8 GW akan diubah menjadi gelombang mikro, yang menurut perkiraan Dr. Handmer tidak akan lebih dari 40%, menyisakan 720 MW, yang setelah stasiun bumi lebih lanjut dan kehilangan transmisi kemungkinan besar berjumlah antara 500 MW – 700 MW, tergantung cuaca.

Pada titik ini kita menemukan diri kita dihadapkan pada pertanyaan yang tidak menyenangkan tentang logistik untuk membawa satelit-satelit ini ke luar angkasa, dirakit, dan di atas semua itu didanai.

Terlalu Murah Untuk Diukur

Kerusakan MMOD pada panel surya ISS.
Kerusakan teramati pada susunan surya ISS 3A, panel 58 (sisi sel di kiri, bagian belakang Kapton di kanan). Catatan by-pass
dioda terputus karena dampak MMOD. (Sumber: Hyde dkk., 2019)

Secepat harga peluncuran telah turun sejak perusahaan seperti SpaceX melemparkan tantangan peluncuran komersial, mendapatkan satu kilogram apa pun ke orbit masih mahal, bahkan dengan SpaceX’s Starship terbang secara teratur. Biaya peluncurannya kemungkinan sekitar $10 juta per penerbangan, atau $100 per kilogram. Berat salah satu satelit ini akan jauh lebih berat dari seluruh ISS, termasuk panel PV, struktur pendukung, generator gelombang mikro dan antena transmisi ditambah kontrol tambahan dan perangkat keras komunikasi.

Biaya salah satu satelit ini ditambah stasiun bumi akan mencapai miliaran, semua untuk menghasilkan setara dengan apa yang dapat dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga surya (CSP) atau pembangkit nuklir kecil saat ini. Bahkan dengan asumsi biaya peluncuran turun menjadi $ 10/kg yang disarankan oleh Elon Musk, itu tidak akan memperbaiki masalah termal dan kehilangan transmisi. Juga tidak akan mengatasi masalah perakitan dan pemeliharaan yang belum terpecahkan.

Jika ISS diluncurkan hari ini dengan kapal luar angkasa, ISS masih membutuhkan perakitan di orbit menggunakan manusia dan/atau lengan robot. Merakit struktur orbit terbesar dalam sejarah manusia menghadirkan banyak pertanyaan terbuka. Laporan Frazer-Nash yang ditugaskan ESA menyatakan bahwa mereka memperkirakan perakitan di orbit akan memakan waktu antara empat hingga enam tahun, per satelit.

Bahkan dengan asumsi perkiraan optimis itu, ini sebanding dengan waktu konstruksi lima hingga enam tahun yang diamati (Lovering et al., 2016) dengan pembangkit nuklir, misalnya selama pembangunan pembangkit listrik Prancis tahun 1970-an atau pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir saat ini di Cina, bahkan dengan penundaan besar-besaran. dan over budget reaktor Olkiluoto 3 EPR sekitar €8,5 miliar untuk output 1,6 GW mencapai biaya listrik yang diratakan sebesar €30/MWh. Reaktor modern juga memiliki umur pengenal 80+ tahun, yang selanjutnya membantu mengamortisasi biaya di muka yang besar.

Ini mengarah ke poin berikutnya, yaitu pemeliharaan. Meskipun satelit SBSP dan susunan surya PV berada dengan aman di luar batas atmosfer bumi dan cuacanya, mereka tunduk pada cuaca luar angkasa, termasuk puing-puing ruang angkasa, serta mikrometeorit. ISS telah melihat bagiannya dari kerusakan pada struktur pusat dan panel suryanya. Bersamaan dengan peningkatan paparan radiasi di ruang angkasa, ini berarti bahwa susunan surya ruang angkasa akan terdegradasi jauh lebih cepat daripada susunan berbasis darat, dan mungkin dihancurkan oleh hantaman sial pada bagian penting dari satelit.

Umur yang diharapkan dari satelit semacam itu dapat diperkirakan berdasarkan data yang diperoleh dari ISS pada khususnya. Tidak seperti susunan surya berbasis Bumi, susunan pada pesawat ruang angkasa menggunakan galium-arsenida alih-alih silikon. Ini tidak terdegradasi dengan cepat di lingkungan luar angkasa yang keras, bahkan jika mereka masih rentan terhadap serangan kinetik. Kebutuhan untuk panel surya PV yang tahan radiasi ini juga berarti bahwa harganya jauh lebih mahal daripada panel surya PV yang diproduksi secara massal yang biasa digunakan di Bumi.

Dengan perbaikan di orbit untuk satelit SBSP ini, di sini juga kita mengalami masalah bahwa tidak ada hal seperti itu yang pernah dicoba, di luar pekerjaan pemeliharaan di stasiun luar angkasa seperti ISS, menggunakan astronot dan lengan robot, dan misi layanan di Hubble Space. Teleskop. Ini adalah upaya heroik.

Kasus yang Sulit

Sebagai alternatif yang berpotensi jauh lebih murah daripada SBSP, orang dapat membayangkan sesuatu seperti cermin berbasis ruang angkasa. Ini tidak akan berteknologi tinggi seperti susunan surya PV orbital yang memancarkan gelombang mikro ke tanah, tetapi bisa sesederhana satelit cermin yang membuka sendiri dengan pendorong ion untuk mempertahankan posisinya. Ini dapat memantulkan sinar matahari ke susunan surya PV di Bumi, misalnya, hanya dengan biaya sebagian kecil dan menggunakan sebagian besar teknologi yang telah terbukti.

Kembali pada tahun 2019, China telah mengumumkan bahwa mereka ‘kemungkinan besar’ akan meluncurkan satelit SBSP-nya sendiri ke orbit antara tahun 2021 dan 2025, dengan satelit tingkat MW diluncurkan pada tahun 2030. Sejauh ini, pembaruan sangat kurang. Perasaan yang berbeda di sini adalah bahwa mungkin SBSP lebih merupakan prestise nasional, bahkan lebih dari stasiun luar angkasa. Dari konstruksi orbital besar hingga berbagai item ‘belum pernah dilakukan sebelumnya’ lainnya, proyek SBSP yang sukses mungkin akan menjadi kekuatan nasional termegah yang bisa dibayangkan.

Sementara itu, tampaknya strategi terbaik untuk memberdayakan masyarakat kita adalah dengan terus membangun pembangkit listrik tenaga nuklir bersama matahari dan angin, tidak ada yang mengharuskan kita untuk menciptakan teknologi dan industri baru dari awal.