Solenergin har blivit allt mer konkurrenskraftig och vinner andelar i världen. I framtiden kommer vi kanske att kunna utnyttja solen ännu mer effektivt genom att placera solpaneler i omloppsbana, ovan molnen, och med i princip ständig och direkt exponering. Energin kan strålas ned till mottagare var som helst på jorden via laser eller mikrovågor.

Solen överöser oss ständigt med ren och utsläppsfri energi, i långt större mängder än vad vi kan ta vara på. På två timmar tar jorden emot lika mycket energi från solen som vi tillsammans använder under ett år. Det är också en resurs som vi blivit bättre och bättre på att utnyttja. Tillverkningskostnaden för solceller har minskat tio procent per år i flera decennier, och i takt med att kostnaderna minskar vinner solenergin andelar i världen.

Nya affärsmodeller, effektivare teknik

På allt fler marknader blir solenergin ett prismässigt konkurrenskraftigt alternativ, och även i det relativt solfattiga Sverige har antalet nyinstallationer fördubblats varje år de senaste åren. En affärsmodell som blir vanligare och som bidragit till solenergins expansion på senare tid är möjligheten att hyra solpaneler till den egna fastigheten; istället för att köpa solcellerna som en produkt får man solenergin som en tjänst. I exempelvis Kalifornien har just den här ickeköpsmodellen lett till stor marknadsutveckling. Kunden slipper initialkostnaden och får en färdig lösning, vilket sänker trösklarna.

Solcellerna har inte bara blivit billigare, utan också effektivare. De bästa kommersiella solcellerna idag har en verkningsgrad på 22 procent. Att stapla solceller som är känsliga i olika våglängdsområden på varandra – så kallade tandemsolceller – kan bli ett sätt att öka verkningsgraden ytterligare. Solceller av perovskitmaterial, eller kalciumtitanat, är ett annat aktuellt och lovande forskningsområde som framför allt skulle kunna innebära avsevärt lägre processkostnader. Svensk forskning på solceller av plast med tryckteknik på rulle har visat goda resultat och kan vara på väg mot en kommersialisering – och på Stanford har man utvecklat ett tunt, mönstrat kiselskikt som kan läggas över solceller. Skiktet släpper igenom synligt ljus men fångar och leder bort värme som annars skulle skada cellen och försämra dess effektivitet.

Om expansionstakten fortsätter kan större delen av världens energiproduktion ersättas inom loppet av årtionden, enligt energiforskare. Men även om solenergins andel förutspås mer än tiofaldigas det närmaste decenniet, så är det från en nivå där den utgör blygsamma 1.5 procent av den globala elproduktionen. Det är också ett väderberoende energislag, tillgängligt bara under dygnets ljusa timmar, och utan storskalig energilagring i elnäten och elnät som integreras över stora områden kommer kanske den höga utbyggnadstakten ändå att tvingas plana ut tills infrastrukturen kommer ikapp i utvecklingen.

Rymdbaserad solenergi

Men det finns mer drastiska sätt att öka solenergins effekt och samtidigt kringgå infrastrukturproblemen. Rymdbaserad solenergi skulle kunna vara 10 gånger så effektivt som jordbunden. Den skulle vara verksam utan avbrott, och skulle kunna skickas vart som helst.

Med en mikrovågssändare skickas energin till jorden. (Bild: JAXA)

Med en mikrovågssändare kan energin skickas till jorden. (Bild: JAXA)

Utanför atmosfären är solljuset dubbelt så starkt, och det finns inga moln som skymmer det. En genomsnittlig solpanel på jorden nås dessutom av solljus mindre än en tredjedel av dygnet, men en satellit kan exponeras näst intill kontinuerligt, dygnet runt. Idén är att placera en struktur i omloppsbana, med stora reflekterande ytor som koncentrerar solljuset mot högeffektiva, satellitburna solpaneler.

Att sända upp satelliter med solpaneler och utvinna stora mängder solenergi är en sak. Den stora frågan är hur man sedan får ned energin till jorden så att den kan användas. Kablar är knappast tänkbart – men om man låter solelen driva en mikrovågssändare eller laser kan energin överföras trådlöst till en mottagare på jordytan. Där kan den sedan omvandlas tillbaka till el och distribueras vidare. Mikrovågor är förmodligen det bättre alternativet, bland annat eftersom de till skillnad från lasrar inte störs av moln. Givetvis blir det omvandlingsförluster i sändaren och mottagaren, vilket minskar effektivitetsvinsten jämfört med jordbaserade system.

Att rikta ned energin till jorden är en uppgift som kräver precision; en förändring av vinkeln på 0.01 grader skulle leda till att man missar målet med en kilometer. Tanken är därför att mottagaren skickar en styrsignal som sändaren ställer in sig mot, så att den bara överför energi när kontakten med mottagaren kan garanteras.

Sändarsatelliten måste placeras i geostationär bana ovanför ekvatorn, för att inte förflytta sig i förhållande till mottagarna på marken. Markstationerna kan dock i princip placeras var som helst (även i energifattiga områden som inte nås av elnäten). En mikrovågsmottagare skulle sannolikt se ut som ett stort fält, flera kilometer tvärsöver, täckt av en skog av sammanlänkade antenner.

Solpaneler i rymden slits ut fortare av de extrema förhållanden som råder, och de riskerar att träffas av rymdskrot och mikrometeoriter. Att sköta underhåll av solpanelerna blir förstås avsevärt svårare och dyrare i omloppsbana, och en uppgift som behöver automatiseras. Det är för all del en utveckling som inletts även när det gäller solcellsinstallationer på jorden, som numera ofta nyttjar autonoma drönare för att söka av anläggningarna med värmekameror och identifiera trasiga paneler.

Japan satsar mest

NASA utvärderade rymdbaserad solenergi under 70- och 80-talet, och kom då fram till att det ännu fanns för många osäkerhetsfaktorer och att kostnaden var oöverstiglig. Idag har tekniken emellertid utvecklats mycket, både vad gäller solceller, rymdteknik och kraftöverföring, och nya lättviktsmaterial har uppfunnits. Både USA, Kina och Indien har återigen börjat överväga möjligheten på allvar, men det är Japan som har tagit initiativet och i nuläget är det land som satsar och forskar mest på konceptet. Den japanska rymdstyrelsen JAXA har som mål att upprätta ett fungerande system inom 25 år, och studerar bland annat metoder för att vika ihop solpaneler i raketer och veckla ut dem i rymden. Man tänker sig en struktur med två kilometers sida – 750 gånger så stor som den internationella rymdstationen ISS.

Även företagen satsar: Mitsubishi Electric har föreslagit ”the Solarbird project”, 40 små satelliter med reflekterande speglar i geostationär bana som skulle producera el motsvarande ett kärnkraftverk. I mars 2015 kunde företaget genomföra en lyckad mikrovågsöverföring av 10 kW till en mottagare 500 meter bort. Det var ett rekord och innebar en lyckad demonstration av riktsystemet – men ännu förstås långt från de astronomiska avstånd som måste överbryggas.

Uppskjutningskostnaden kritisk

Eftersom det rör sig om stora strukturer som måste byggas upp är uppskjutningskostnaden till omloppsbana en kritisk faktor i kalkylen. Återanvändningsbara raketer, ökad konkurrens och intensiv teknikutveckling av aktörer som SpaceX har gjort att kostnaden för att skjuta upp satelliter minskat till en tiondel på fem år – en utveckling som gör rymdbaserad solenergi allt mer intressant, allt närmare i tiden.

Ett alternativt sätt att minska uppskjutningskostnaderna skulle vara att istället sända robotar till månen, med uppdrag att där konstruera solpanelerna på plats av kiselhaltigt månmaterial. Det är en idé som projekteras av det japanska företaget Shimizu, som föreställer sig ett att ett bälte av solceller skulle kunna anläggas runt månens ekvator under en trettioårsperiod från 2035.

Stora ytor för överföring

Det kanske största problemet med rymdbaserad solenergi är att både sändaren och mottagaren måste vara stora, beroende på våglängden och det stora avståndet (36 000 km till geostationär bana). Strålen sprids, helt enkelt, och mottagaren måste därför vara större än sändaren. Ju kortvågigare stråle och ju större sändare, desto mindre blir spridningen. Samtidigt kan strålen inte vara för kortvågig – då passerar den nämligen sämre genom atmosfären. En sändare med diameter på 30 meter skulle behöva en mottagare på mer än 3 km, till exempel, om den sänder med 100 GHz. Däremot skulle inte strålens intensitet behöva vara så hög att den skulle vara farlig att passera genom, så även om det må låta ödesmättat med en energistråle från rymden så är säkerhetsaspekterna knappast ett stort problem i sammanhanget.

Det är inte länge sedan rymdbaserad solenergi var helt och hållet förbehållet science fiction. Men den samtidiga kostnadseffektiviseringen av många olika tekniker som korsbefruktar varandra har gjort rymden mer åtkomlig än någonsin, och alla delar som skulle behövas i systemet blir billigare och effektivare för varje år. Det är inte självklart att rymdbaserad solenergi blir det mest prisvärda ställt mot andra energislag i slutändan – men om trenderna håller i sig är det bara en fråga om tid innan det finns med bland de realistiska alternativen.

Artikeln publicerades i maj 2016.