กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 30 นาที

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ ( SBSPหรือSSP ) คือแนวคิดในการเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศด้วยดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ (SPS) และส่งกลับมายังโลกข้อดีของระบบนี้ได้แก่

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ

แนวคิดเครื่องรวมแสงสมมาตรแบบบูรณาการของ NASA (SPS)
แผนภาพแสดงขั้นตอนการทำงานของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ ( SBSPหรือSSP ) คือแนวคิดในการเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศด้วยดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ (SPS) และส่งกลับมายังโลกข้อดีของระบบนี้ได้แก่ การเก็บรวบรวมพลังงานได้มากขึ้นเนื่องจากไม่มีการสะท้อนและการดูดซับโดยชั้นบรรยากาศความเป็นไปได้ที่จะมีช่วงกลางคืนน้อยมาก และความสามารถในการปรับทิศทางให้หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ได้ดีกว่า ระบบพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศจะแปลงแสงแดดเป็นพลังงานรูปแบบอื่น (เช่นไมโครเวฟ ) ซึ่งสามารถส่งผ่านชั้นบรรยากาศไปยังตัวรับบนพื้นผิวโลกได้

ในช่วงทศวรรษ 1970 กลุ่มต่างๆ เช่นสมาคม L5ได้ส่งเสริมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเพื่อใช้เป็นพลังงานพลเรือน ในไม่ช้าพวกเขาก็ตระหนักถึงศักยภาพของเทคโนโลยีนี้ในฐานะอาวุธพลังงานแบบกำหนดทิศทางสำหรับการป้องกันขีปนาวุธการใช้งานแบบสองทางนี้ได้กำหนดรูปแบบของโครงการริเริ่มการป้องกันเชิงกลยุทธ์ (SDI) ในช่วงทศวรรษ 1980 ซึ่งสถาปนิกที่โดดเด่น รวมถึงนักฟิสิกส์Lowell Woodเป็นสมาชิกยุคแรกของ L5 [ 1 ]การผลิตพลังงานในวงโคจรและการส่งพลังงานแบบกำหนดทิศทางยังคงได้รับการสนับสนุนทางการเงินสำหรับการป้องกันขีปนาวุธสมัยใหม่ เช่นโครงการGolden Dome ปี 2025 [ 2 ]

ในเดือนพฤษภาคม 2020 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯได้ทำการทดสอบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในดาวเทียมเป็นครั้งแรก[ 3 ]ในเดือนสิงหาคม 2021 สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ประกาศว่ามีแผนจะปล่อยชุดทดสอบ SBSP ภายในปี 2023 และในขณะเดียวกันก็เปิดเผยว่าDonald Brenและภรรยาของเขา Brigitte ซึ่งทั้งคู่เป็นกรรมการของ Caltech ได้ให้ทุนสนับสนุนโครงการพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศของสถาบันมาตั้งแต่ปี 2013 โดยบริจาคเงินกว่า 100 ล้านดอลลาร์[ 4 ] [ 5 ]โครงการ MAPLE ของ Caltech ประสบความสำเร็จในการสาธิตการส่งพลังงานไปยังโลกในปี 2023 [ 5 ] MAPLE ส่งพลังงานรังสีไอโซโทรปิกที่มีประสิทธิภาพ (EIRP) 3.2 วัตต์ (+35 dBm) ซึ่งต่ำกว่ากิโลวัตต์ทั่วไปของดาวเทียมสื่อสารเชิงพาณิชย์มาก[ 6 ]ปริมาณพลังงานที่ตรวจพบบนพื้นดินอยู่ที่ประมาณ -45 dBm หรือน้อยกว่าหนึ่งในสิบของไมโครวัตต์[ 6 ]

ประวัติศาสตร์

ลำแสงเลเซอร์นำร่องจะนำทางพลังงานไมโครเวฟไปยังเร็กเทนนา

ในปี 1941 ไอแซค อาสิมอฟนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ได้ตีพิมพ์เรื่องสั้นนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง " Reason " ซึ่งสถานีอวกาศส่งพลังงานที่รวบรวมได้จากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์ต่างๆแผงโซลาร์เซลล์บนยานอวกาศถูกนำมาใช้ตั้งแต่ปี 1958 เมื่อยานแวนการ์ด 1ใช้มันเพื่อจ่ายพลังงานให้กับเครื่องส่งสัญญาณวิทยุเครื่องหนึ่ง อย่างไรก็ตาม คำศัพท์ (และตัวย่อ) ข้างต้นโดยทั่วไปใช้ในบริบทของการส่งพลังงานขนาดใหญ่เพื่อใช้บนโลก แนวคิด SBSP ซึ่งเดิมรู้จักกันในชื่อระบบพลังงานแสงอาทิตย์ดาวเทียม (SSPS) ได้รับการอธิบายครั้งแรกในเดือนพฤศจิกายน 1968 [ 7 ]ในปี 1973 ปีเตอร์ กลาเซอร์ได้รับสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 3,781,647 สำหรับวิธีการส่งพลังงานในระยะทางไกล (เช่น จาก SPS ไปยังพื้นผิวโลก) โดยใช้คลื่นไมโครเวฟจากเสาอากาศขนาดใหญ่ (สูงสุดหนึ่งตารางกิโลเมตร) บนดาวเทียมไปยังเสาอากาศขนาดใหญ่กว่ามาก ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าเร็กเทนนาบนพื้นดิน[ 8 ]

ในขณะนั้น Glaser ดำรงตำแหน่งรองประธานที่Arthur D. Little , Inc. NASA ได้ลงนามในสัญญากับ ADL เพื่อเป็นผู้นำบริษัทอีกสี่แห่งในการศึกษาที่กว้างขึ้นในปี 1974 พวกเขาพบว่า แม้ว่าแนวคิดนี้จะมีปัญหาสำคัญหลายประการ โดย เฉพาะอย่างยิ่งค่าใช้จ่ายในการนำวัสดุที่จำเป็นขึ้นสู่วงโคจรและการขาดประสบการณ์ในโครงการขนาดนี้ในอวกาศ แต่ก็มีแนวโน้มที่ดีพอที่จะควรค่าแก่การตรวจสอบและวิจัยเพิ่มเติม[ 9 ]

การพัฒนาและการประเมินแนวคิด

ภาพจำลองของดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งแล้ว แสดงให้เห็นการประกอบเสาอากาศส่งสัญญาณไมโครเวฟ ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์นี้จะโคจรอยู่ในวงโคจรซิงโครนัสทางภูมิศาสตร์ ที่ระดับความสูง35,786 กิโลเมตร (22,236 ไมล์)เหนือพื้นผิวโลก นาซา 1976 

ระหว่างปี 1978 ถึง 1986 รัฐสภาได้อนุมัติให้กระทรวงพลังงาน (DoE) และNASAร่วมกันตรวจสอบแนวคิดดังกล่าว พวกเขาได้จัดตั้งโครงการพัฒนาและประเมินแนวคิดระบบพลังงานดาวเทียมขึ้น[ 10 ] [ 11 ]การศึกษานี้ยังคงเป็นการศึกษาที่ครอบคลุมมากที่สุดเท่าที่เคยดำเนินการมา (งบประมาณ 50 ล้านดอลลาร์) [ 12 ]มีรายงานหลายฉบับที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับการตรวจสอบความเป็นไปได้ทางวิศวกรรมของโครงการดังกล่าว ซึ่งรวมถึง:

  • ความต้องการทรัพยากร (วัสดุที่สำคัญ พลังงาน และที่ดิน) [ 13 ]
  • สถานการณ์ทางการเงิน/การจัดการ[ 14 ] [ 15 ]
  • การยอมรับสาธารณะ[ 16 ]
  • ข้อบังคับของรัฐและท้องถิ่นที่ใช้กับสิ่งอำนวยความสะดวกเสาอากาศรับสัญญาณไมโครเวฟของระบบพลังงานดาวเทียม[ 17 ]
  • การมีส่วนร่วมของนักเรียน[ 18 ]
  • ศักยภาพของเลเซอร์สำหรับการส่งกำลัง SBSP [ 19 ]
  • ข้อตกลงระหว่างประเทศ[ 20 ] [ 21 ]
  • การรวมศูนย์/การกระจายอำนาจ[ 22 ]
  • การทำแผนที่พื้นที่ยกเว้นสำหรับไซต์เร็กเทนน่า[ 23 ]
  • ปัญหาทางเศรษฐกิจและประชากรที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน[ 24 ]
  • คำถามและคำตอบบางส่วน[ 25 ]
  • ผลกระทบทางอุตุนิยมวิทยาต่อการแพร่กระจายของลำแสงเลเซอร์และเลเซอร์ที่ปั๊มด้วยพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรง[ 26 ]
  • การทดลองเผยแพร่สู่สาธารณะ[ 27 ]
  • สรุปทางเทคนิคและการประเมินการส่งและรับพลังงาน[ 28 ]
  • การขนส่งอวกาศ[ 29 ]

การยุติ

โครงการนี้ไม่ได้ดำเนินการต่อหลังจากการเปลี่ยนแปลงรัฐบาลหลังการเลือกตั้งของสหรัฐอเมริกาในปี 1980สำนักงานประเมินเทคโนโลยีสรุปว่า "ปัจจุบันยังไม่ค่อยมีข้อมูลเกี่ยวกับด้านเทคนิค เศรษฐกิจ และสิ่งแวดล้อมของ SPS มากพอที่จะตัดสินใจได้อย่างถูกต้องว่าจะดำเนินการพัฒนาและใช้งานต่อไปหรือไม่ นอกจากนี้ หากไม่มีการวิจัยเพิ่มเติม การสาธิต SPS หรือโปรแกรมตรวจสอบทางวิศวกรรมระบบจะเป็นการลงทุนที่มีความเสี่ยงสูง" [ 30 ]

นอกจากเรื่องต้นทุนแล้ว ระบบ พลังงานแสงอาทิตย์แบบดาวเทียม (SBSP) ยังมีอุปสรรคทางเทคโนโลยีหลายประการ รวมถึงปัญหาการส่งพลังงานจากวงโคจร เนื่องจากเทคโนโลยีในปัจจุบันยังไม่สามารถส่งสายไฟจากพื้นผิวโลกไปยังดาวเทียมที่โคจรอยู่ได้ การออกแบบ SBSP โดยทั่วไปจึงรวมถึง การส่งพลังงานแบบไร้สาย ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำ รวมถึงข้อกังวลเกี่ยวกับการใช้ที่ดินสำหรับสถานีเสาอากาศเพื่อรับพลังงานบนพื้นผิวโลก ดาวเทียมที่ทำหน้าที่รวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์จะแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า จ่ายพลังงานให้ กับเครื่องส่งสัญญาณ ไมโครเวฟหรือ เครื่องปล่อยแสง เลเซอร์และส่งพลังงานนี้ไปยังตัวรวบรวม (หรือเสาอากาศรับ สัญญาณไมโครเวฟ ) บนพื้นผิวโลก ตรงกันข้ามกับสิ่งที่ปรากฏในนิยาย การออกแบบส่วนใหญ่เสนอความหนาแน่นของพลังงานลำแสงที่ไม่เป็นอันตรายหากมนุษย์ได้รับแสงโดยไม่ได้ตั้งใจเช่น หากลำแสงของดาวเทียมส่งสัญญาณเบี่ยงเบนออกนอกเส้นทาง แต่ขนาดที่ใหญ่โตของเสาอากาศรับสัญญาณยังคงต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่ใกล้กับผู้ใช้ปลายทาง อายุการใช้งานของแผงรับแสงอาทิตย์ในอวกาศเมื่อเผชิญกับการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมในอวกาศเป็นเวลานาน รวมถึงการเสื่อมสภาพจากรังสีและ ความเสียหาย จากไมโครอุกกาบาตอาจกลายเป็นข้อกังวลสำหรับ SBSP ด้วยเช่นกัน

ณ ปี 2020 SBSP กำลังถูกดำเนินการอย่างจริงจังโดยญี่ปุ่น จีน[ 31 ]รัสเซีย อินเดีย สหราชอาณาจักร[ 32 ]สหรัฐอเมริกา และองค์การอวกาศยุโรป

ในปี พ.ศ. 2551 ญี่ปุ่นได้ผ่านกฎหมายอวกาศพื้นฐานซึ่งกำหนดให้พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเป็นเป้าหมายระดับชาติ[ 33 ] JAXAมีแผนงานสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเชิงพาณิชย์

ในปี 2015 สถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีน (CAST) ได้นำเสนอแผนงานในการประชุมการพัฒนาอวกาศนานาชาติ ในเดือนกุมภาพันธ์ 2019 หนังสือพิมพ์ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีรายวัน (科技日报, Keji Ribao) ซึ่งเป็นหนังสือพิมพ์ทางการของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งสาธารณรัฐประชาชนจีนรายงานว่าการก่อสร้างฐานทดสอบได้เริ่มต้นขึ้นในเขตบิซานของฉงชิง รองประธาน CAST นายหลี่ หมิง กล่าวว่าจีนคาดหวังว่าจะเป็นประเทศแรกที่สร้างสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศที่ใช้งานได้จริงและมีคุณค่า นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนรายงานว่าวางแผนที่จะปล่อยสถานีผลิตไฟฟ้าในอวกาศขนาดเล็กและขนาดกลางหลายแห่งระหว่างปี 2021 ถึง 2025 [ 34 ] [ 35 ]ในเดือนธันวาคม 2019 สำนักข่าวซินหัวรายงานว่าจีนวางแผนที่จะปล่อยสถานี SBSP ขนาด 200 ตันที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้หลายเมกะวัตต์ (MW) สู่โลกภายในปี 2035 [ 36 ]

In 1997, NASA conducted its "Fresh Look" study to examine the modern state of SBSP feasibility. In assessing "What has changed" since the DOE study, NASA asserted that the "US National Space Policy now calls for NASA to make significant investments in technology (not a particular vehicle) to drive the costs of ETO [Earth to Orbit] transportation down dramatically. This is, of course, an absolute requirement of space solar power."[37]

Conversely, Pete Worden of NASA claimed that space-based solar is about five orders of magnitude more expensive than solar power from the Arizona desert, with a major cost being the transportation of materials to orbit. Worden referred to possible solutions as speculative and not available for decades at the earliest.[38]

On November 2, 2012, China proposed a space collaboration with India that mentioned SBSP, "may be Space-based Solar Power initiative so that both India and China can work for long term association with proper funding along with other willing space faring nations to bring space solar power to earth."[39]

Exploratory Research and Technology program

SERT Integrated Symmetrical Concentrator SPS concept.NASA

In 1999, NASA initiated its Space Solar Power Exploratory Research and Technology program (SERT) for the following purposes:[40][41][42][43]

  • Perform design studies of selected flight demonstration concepts.
  • Evaluate studies of the general feasibility, design, and requirements.
  • Create conceptual designs of subsystems that make use of advanced SSP technologies to benefit future space or terrestrial applications.
  • Formulate a preliminary plan of action for the U.S. (working with international partners) to undertake an aggressive technology initiative.
  • Construct technology development and demonstration roadmaps for critical space solar power (SSP) elements.

SERT went about developing a solar power satellite (SPS) concept for a future gigawatt space power system, to provide electrical power by converting the Sun's energy and beaming it to Earth's surface, and provided a conceptual development path that would utilize current technologies. SERT proposed an inflatablephotovoltaicgossamer structure with concentrator lenses or solarheat engines to convert sunlight into electricity. The program looked both at systems in Sun-synchronous orbit and geosynchronous orbit. Some of SERT's conclusions:

  • ความต้องการพลังงานทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นมีแนวโน้มที่จะดำเนินต่อไปอีกหลายทศวรรษ ส่งผลให้มีการสร้างโรงไฟฟ้าใหม่ทุกขนาดเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
  • ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของโรงงานเหล่านั้น และผลกระทบต่อแหล่งพลังงานของโลกและความสัมพันธ์ทางภูมิรัฐศาสตร์ อาจเป็นปัญหาได้
  • พลังงานหมุนเวียนเป็นแนวทางที่น่าสนใจอย่างยิ่ง ทั้งในเชิงปรัชญาและในเชิงวิศวกรรม
  • แหล่งพลังงานหมุนเวียนหลายประเภทมีข้อจำกัดในด้านความสามารถในการจัดหาพลังงานพื้นฐานที่จำเป็นต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมและความเจริญรุ่งเรืองของโลกได้อย่างคุ้มค่า เนื่องจากข้อจำกัดด้านที่ดินและน้ำ
  • จากผลการศึกษาการกำหนดแนวคิดของพวกเขา แนวคิดพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอาจพร้อมที่จะกลับมาเป็นหัวข้อถกเถียงอีกครั้ง
  • ต่อไปนี้ไม่ควรคิดว่าดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์จะต้องใช้เงินลงทุนเริ่มต้นจำนวนมหาศาลในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานถาวรก่อนที่จะเริ่มติดตั้งโรงไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพได้อีกแล้ว
  • ระบบผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศดูเหมือนจะมีข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญหลายประการ เมื่อเปรียบเทียบกับแนวทางอื่นๆ
  • ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของระบบผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศขึ้นอยู่กับหลายปัจจัยและการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่ประสบความสำเร็จ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งคือการเข้าถึงอวกาศด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าแต่ก่อนมาก) อย่างไรก็ตาม สามารถกล่าวได้เช่นเดียวกันสำหรับเทคโนโลยีพลังงานขั้นสูงอื่นๆ
  • พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอาจกลายเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจในการตอบสนองความต้องการด้านพลังงานของศตวรรษที่ 21 [ 44 ]
  • หากต้องการให้ SPS มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ จำเป็นต้องมีค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดในช่วง 100–200 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมของน้ำหนักบรรทุกจากวงโคจรต่ำของโลกไปยังวงโคจรจีโอซิงโครนัส[ 12 ]

องค์การสำรวจอวกาศแห่งญี่ปุ่น

นิตยสาร IEEE Spectrum ฉบับ เดือนพฤษภาคม 2014 ได้ตีพิมพ์บทความยาวเรื่อง "It's Always Sunny in Space" โดย Susumu Sasaki [ 45 ]บทความดังกล่าวระบุว่า "พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเป็นหัวข้อของการศึกษามากมายก่อนหน้านี้และเป็นเรื่องราวในนิยายวิทยาศาสตร์มานานหลายทศวรรษ แต่ในที่สุดพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศก็อาจกลายเป็นความจริงได้ และภายใน 25 ปี ตามข้อเสนอจากนักวิจัยขององค์การสำรวจอวกาศแห่งญี่ปุ่น (JAXA) ซึ่งตั้งอยู่ในโตเกียว "

เมื่อวันที่ 12 มีนาคม 2558 JAXA ประกาศว่าพวกเขาสามารถส่งพลังงาน 1.8 กิโลวัตต์ 50 เมตร ไปยังเครื่องรับขนาดเล็กได้แบบไร้สาย โดยการแปลงไฟฟ้าเป็นคลื่นไมโครเวฟแล้วแปลงกลับเป็นไฟฟ้าอีกครั้ง ซึ่งเป็นวิธีการมาตรฐานสำหรับพลังงานประเภทนี้[ 46 ] [ 47 ]เมื่อวันที่ 12 มีนาคม 2558 Mitsubishi Heavy Industries ได้สาธิตการส่งพลังงาน 10 กิโลวัตต์ (kW) ไปยังเครื่องรับที่อยู่ห่างออกไป 500 เมตร (m) [ 48 ]

เอเธอร์ฟลักซ์

Aetherflux เป็นบริษัทที่ได้รับเงินทุนจากบริษัทร่วมทุน โดยมุ่งเน้นการส่งพลังงานแสงอาทิตย์ โดยได้รับเงินทุน 50 ล้านดอลลาร์สหรัฐ บริษัทวางแผนที่จะสร้างกลุ่ม ดาวเทียม วงโคจรต่ำขนาด เล็ก โดยใช้เลเซอร์อินฟราเรด สถานีภาคพื้นดินมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ5–10 เมตร (16–33 ฟุต)บริษัทได้รับการสนับสนุนบางส่วนในปีงบประมาณนี้จากกองทุนปรับปรุงขีดความสามารถด้านพลังงานปฏิบัติการ (OECIF) ของกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ[ 49 ] Aetherflux เปลี่ยนไปใช้ศูนย์ข้อมูลในอวกาศในเดือนธันวาคม 2025  

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดี

แนวคิด SBSP น่าสนใจเพราะอวกาศมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการเหนือพื้นผิวโลกสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์:

  • ในอวกาศนั้น เวลาจะเป็น เวลาเที่ยงวันตามแสงอาทิตย์เสมอและดวงอาทิตย์จะเต็มดวง ตลอดเวลา
  • พื้นผิวรับแสงอาทิตย์สามารถรับแสงแดดได้เข้มข้นกว่ามาก เนื่องจากไม่มีสิ่งกีดขวาง เช่นก๊าซในชั้นบรรยากาศเมฆฝุ่นละออง และปรากฏการณ์ทางสภาพอากาศอื่นๆ ดังนั้น ความเข้มของแสงในวงโคจรจึงสูงกว่าความเข้มสูงสุดที่สามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิวโลกประมาณ 144%
  • ดาวเทียมอาจได้รับแสงส่องสว่างมากกว่า 99% ของเวลา และอยู่ในเงา ของโลก ได้สูงสุดเพียง 72 นาทีต่อคืนในช่วงวิษุวัตฤดูใบไม้ผลิและฤดูใบไม้ร่วง ณ เวลาเที่ยงคืนตามเวลาท้องถิ่น[ 50 ]ดาวเทียมที่โคจรสามารถสัมผัสกับรังสี จากดวงอาทิตย์ในระดับสูงอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปประมาณ 24 ชั่วโมงต่อวัน ในขณะที่แผงโซลาร์เซลล์บนพื้นผิวโลกในปัจจุบันสามารถเก็บพลังงานได้เฉลี่ยเพียง 29% ของวัน[ 51 ]
  • พลังงานสามารถถูกส่งต่อไปยังพื้นที่ที่ต้องการมากที่สุดได้อย่างรวดเร็ว ดาวเทียมรับพลังงานอาจสามารถส่งพลังงานตามความต้องการไปยังสถานที่ต่างๆ บนพื้นผิวโลก โดยพิจารณาจาก ความต้องการ พลังงานพื้นฐานหรือความต้องการพลังงานสูงสุด ตามภูมิศาสตร์
  • ลดการรบกวนต่อพืชและสัตว์ป่า
  • พลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก ซึ่งแตกต่างจากโรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมัน ก๊าซ เอทานอล และถ่านหิน นอกจากนี้ พลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศยังไม่ขึ้นอยู่กับหรือแข่งขันกับทรัพยากรน้ำจืดที่หายาก ซึ่งแตกต่างจากโรงไฟฟ้าถ่านหินและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์[ 52 ]
  • SBSP สร้างพลังงานได้มากกว่าแผงโซลาร์เซลล์ถึง 40 เท่า และแทบไม่ก่อให้เกิดขยะอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมเลย นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง คิดเป็น 99 เปอร์เซ็นต์ของปี[ 53 ]
  • หากพลังงานสะอาดที่ได้จากพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีสัดส่วนเพียงร้อยละห้าของการใช้พลังงานของประเทศเรา รอยเท้าคาร์บอนของเราก็จะลดลงอย่างมาก[ 54 ]

ข้อเสีย

แนวคิด SBSP ยังมีปัญหาอยู่หลายประการ:

  • ค่าใช้จ่ายมหาศาลในการส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศ
  • ไมโครเวฟออปติกต้องการขนาดกิกะวัตต์เพื่อชดเชย การกระจายตัวของลำแสง ดิสก์ Airyโดยทั่วไปดิสก์ขนาด 1  กม. ในวงโคจรจีโอซิงโครนัสที่ส่งสัญญาณที่ 2.45  GHz จะกระจายออกไปเป็น 10  กม. ที่ระยะห่างจากโลก[ 55 ]
  • ไม่สามารถจำกัดการส่งพลังงานภายในมุมลำแสงที่เล็กมากได้ ตัวอย่างเช่น ต้องใช้ลำแสงขนาด 0.002 องศา (7.2 วินาทีโค้ง) เพื่อให้อยู่ภายในเสาอากาศรับสัญญาณเป้าหมายที่ระยะ 1 กิโลเมตรจากระดับความสูงคงที่ ระบบ ส่งพลังงานไร้สาย แบบกำหนดทิศทางที่ทันสมัยที่สุด ในปี 2019 กระจายความกว้างของลำแสงพลังงานครึ่งหนึ่งไปอย่างน้อย 0.9 องศาโค้ง[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
  • ข้อจำกัดด้านการเข้าถึง: การบำรุงรักษาแผงโซลาร์เซลล์บนพื้นโลกนั้นค่อนข้างง่าย แต่การสร้างและการบำรุงรักษาแผงโซลาร์เซลล์ในอวกาศมักจะต้องทำโดยระบบควบคุมระยะไกล นอกจากค่าใช้จ่ายแล้ว นักบินอวกาศที่ทำงานในวงโคจรคงที่ (GEO) ยังต้องเผชิญกับอันตรายจากรังสีในระดับที่ยอมรับไม่ได้และความเสี่ยงอื่นๆ อีก และมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการทำงานแบบเดียวกันโดยระบบควบคุมระยะไกลถึงประมาณหนึ่งพันเท่า
  • สภาพแวดล้อมในอวกาศนั้นไม่เอื้ออำนวย แผง PV (หากใช้) จะเสื่อมสภาพมากกว่าบนโลกประมาณแปดเท่า (ยกเว้นในวงโคจรที่ได้รับการปกป้องจากสนามแม่เหล็กโลก) [ 60 ]
  • เศษซากอวกาศเป็นอันตรายอย่างมากต่อวัตถุขนาดใหญ่ในอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น ระบบ SBSP ที่เคลื่อนที่ผ่านเศษซากที่ระดับต่ำกว่า 2,000  กม. ในปี 1978 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์Donald J. Kesslerได้เตือนถึงการชนกันแบบต่อเนื่องที่เกิดขึ้นเองในระหว่างการประกอบโมดูล SPS ในวงโคจรต่ำของโลก ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ กลุ่ม อาการKessler [ 61 ] [ 62 ]ความเสี่ยงของการชนกันลดลงอย่างมากในวงโคจรคงที่ของโลก เนื่องจากดาวเทียมทั้งหมดเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันด้วยความเร็วใกล้เคียงกัน
  • ความถี่ในการออกอากาศของไมโครเวฟดาวน์ลิงก์ (ถ้ามีการใช้งาน) จะต้องแยกระบบ SBSP ออกจากดาวเทียมดวงอื่น พื้นที่ GEO ถูกใช้งานอย่างดีอยู่แล้วและจะต้องประสานงานกับITU- R [ 63 ]
  • ขนาดที่ใหญ่โตและต้นทุนที่สูงของสถานีรับสัญญาณภาคพื้นดินนั้นคีธ เฮนสันนัก วิจัยจาก SBSP ได้ประเมินต้นทุนไว้ที่หนึ่งพันล้านดอลลาร์สำหรับกำลังส่ง 5 กิกะวัตต์
  • การสูญเสียพลังงานระหว่างขั้นตอนต่างๆ ของการแปลงจากโฟตอนเป็นอิเล็กตรอนเป็นโฟตอนแล้วกลับไปเป็นอิเล็กตรอนอีกครั้ง[ 64 ] [ 65 ]
  • การจัดการ ความร้อนส่วนเกินในระบบพลังงานอวกาศนั้นยากอยู่แล้ว แต่จะยิ่งยากขึ้นไปอีกเมื่อยานอวกาศทั้งลำถูกออกแบบมาเพื่อดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุด ระบบ ควบคุมความร้อนแบบดั้งเดิมของยานอวกาศเช่น แผ่นบังรังสี อาจไปรบกวนการบังแผงโซลาร์เซลล์หรือตัวส่งพลังงานได้
  • ต้นทุนการปลดประจำการ: ต้นทุนในการลดระดับวงโคจรของดาวเทียมเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานเพื่อป้องกันไม่ให้ดาวเทียมเหล่านั้นก่อให้เกิด ปัญหา เศษซาก อวกาศในวงโคจรมากขึ้น เนื่องจากการชนกับเศษซากดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง และดาวเคราะห์[ 66 ]มีแนวโน้มที่จะสูงมาก แม้ว่าต้นทุนในอนาคตของการให้Delta-Vจะประเมินได้ยาก แต่ปริมาณ Delta-V ที่ต้องใช้ในการย้ายดาวเทียมจาก GEO ไปยัง GTO คือ 1472  m/s² หากเมื่อกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ดาวเทียมที่แตกสลายจะปล่อยสารเคมีอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศของโลก ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการแยกชิ้นส่วนดาวเทียมและลดระดับวงโคจรของส่วนประกอบที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมภายในยานอวกาศที่มีความสามารถในการนำมวลลงจะต้องนำมาพิจารณาในต้นทุนการปลดประจำการ ด้วย
  • เนื่องจากระบบเหล่านี้จะอยู่ในอวกาศ จึงไม่สามารถควบคุมด้วยมือได้โดยตรง นักวิจัยจะต้องสร้างวิธีการบำรุงรักษาระบบเหล่านี้โดยอัตโนมัติ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาทางเทคนิคบางประการ[ 67 ]
  • งานวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของประชากรสามารถทำให้เกิดความแออัดและในที่สุดอาจทำให้เกิดเศษซากในวงโคจรซึ่งสรุปได้จากการทดสอบที่จีนทำกับดาวเทียมของตน[ 68 ]

ออกแบบ

ภาพจำลองของศิลปินเกี่ยวกับจานพลังงานแสงอาทิตย์ที่อยู่ด้านบนของยานลากจูงอวกาศ ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากวงโคจรต่ำของโลก (LEO) ไปยังวงโคจรคงที่ของโลก (GEO )

พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสามประการ: [ 69 ]

  1. การเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศโดยใช้แผ่นสะท้อนแสงหรือกระจกแบบเป่าลมไปยังเซลล์แสงอาทิตย์หรือเครื่องทำความร้อนสำหรับระบบความร้อน
  2. การส่งพลังงานไร้สายสู่โลกผ่านคลื่นไมโครเวฟหรือเลเซอร์
  3. การรับพลังงานบนโลกผ่านทางเร็กเทนนา ซึ่งเป็นเสาอากาศไมโครเวฟ

ส่วนที่อยู่ในอวกาศจะไม่จำเป็นต้องรับน้ำหนักตัวเองเพื่อต้านทานแรงโน้มถ่วง (นอกเหนือจากแรงดึงดูดจากน้ำขึ้นน้ำลงที่ค่อนข้างอ่อน) ไม่จำเป็นต้องมีการป้องกันจากลมหรือสภาพอากาศบนโลก แต่จะต้องรับมือกับอันตรายในอวกาศ เช่นไมโครอุกกาบาตและเปลวสุริยะมีการศึกษาถึงสองวิธีการแปลงพลังงานพื้นฐาน ได้แก่โฟโตโวล ตาอิก (PV) และพลังงานแสงอาทิตย์แบบไดนามิก (SD) การวิเคราะห์ส่วนใหญ่ของ SBSP มุ่งเน้นไปที่การแปลงพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิก โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่แปลงแสงแดดเป็นไฟฟ้าโดยตรง ส่วนพลังงานแสงอาทิตย์แบบไดนามิกใช้กระจกเพื่อรวมแสงไปที่หม้อไอน้ำ การใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบไดนามิกสามารถลดมวลต่อวัตต์ได้การส่งพลังงานแบบไร้สายได้รับการเสนอตั้งแต่แรกเริ่มว่าเป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งเก็บรวบรวมไปยังพื้นผิวโลก โดยใช้คลื่นไมโครเวฟหรือรังสีเลเซอร์ที่ความถี่ต่างๆ

การส่งพลังงานไมโครเวฟ

ในปี 1964 วิลเลียม ซี. บราวน์ ได้สาธิต เฮลิคอปเตอร์จำลองที่ขับเคลื่อนด้วยไมโครเวฟในรายการข่าวซีบีเอสของวอลเตอร์ ครอนไคต์ซึ่งได้รับพลังงานทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการบินจากลำแสงไมโครเวฟ ระหว่างปี 1969 ถึง 1975 บิล บราวน์ ดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการด้านเทคนิคของ โครงการ JPL Raytheonซึ่งส่งพลังงาน 30 กิโลวัตต์เป็นระยะทาง1 ไมล์ (1.6 กิโลเมตร)ด้วยประสิทธิภาพ 9.6% [ 70 ] [ 71 ] 

ลำแสงจะกระจายออกเนื่องจากการเลี้ยวเบน ที่ความถี่ 2.45  GHz เสาอากาศส่งสัญญาณแบบอาร์เรย์เฟสขนาด 1 กม. ที่ GEO จะกระจายออกเป็น เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 กม. ไปยังวงแหวนศูนย์วงแรก[ 72 ]ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณโดยรวมใกล้เคียงกับ 50% ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ

การส่งพลังงานไมโครเวฟหลายสิบกิโลวัตต์ได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดสอบที่มีอยู่ ณโกลด์สโตนรัฐแคลิฟอร์เนีย (1975) [ 71 ] [ 73 ] [ 74 ]และแกรนด์บาสซินบนเกาะเรอูนียง (1997) [ 75 ]

การเปรียบเทียบการส่งกำลังด้วยเลเซอร์และไมโครเวฟ แผนภาพจาก NASA

เมื่อไม่นานมานี้ การส่งพลังงานไมโครเวฟได้รับการสาธิตร่วมกับการดักจับพลังงานแสงอาทิตย์ระหว่างยอดเขาในเมาอิและเกาะฮาวาย (ห่างออกไป 92 ไมล์) โดยทีมงานภายใต้การนำของJohn C. Mankins [ 76 ] [ 77 ] ความท้าทายทางเทคโนโลยีในแง่ของรูปแบบอาร์เรย์ การออกแบบองค์ประกอบการแผ่รังสีเดี่ยว และประสิทธิภาพโดยรวม ตลอดจนข้อจำกัดทางทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ปัจจุบันเป็นหัวข้อของการวิจัย ดังที่แสดงให้เห็นในการประชุมพิเศษเรื่อง "การวิเคราะห์ระบบไร้สายแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการส่งพลังงานแสงอาทิตย์" ซึ่งจัดขึ้นระหว่างการ ประชุม IEEE Symposium on Antennas and Propagation ปี 2010 [ 78 ]ในปี 2013 ได้มีการตีพิมพ์ภาพรวมที่เป็นประโยชน์ ซึ่งครอบคลุมเทคโนโลยีและประเด็นต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการส่งพลังงานไมโครเวฟจากอวกาศสู่พื้นดิน โดยมีการแนะนำ SPS การวิจัยในปัจจุบัน และแนวโน้มในอนาคต[ 79 ]นอกจากนี้ การทบทวนวิธีการและเทคโนโลยีในปัจจุบันสำหรับการออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศสำหรับการส่งพลังงานไมโครเวฟได้ปรากฏใน Proceedings of the IEEE [ 80 ]

การฉายพลังงานเลเซอร์

บางคนใน NASA มองว่าการส่งพลังงาน ด้วยเลเซอร์เป็นก้าวสำคัญไปสู่การพัฒนาอุตสาหกรรมอวกาศ ในช่วงทศวรรษ 1980 นักวิจัยของ NASA ได้ศึกษาศักยภาพของการใช้เลเซอร์ในการส่งพลังงานจากอวกาศสู่อวกาศ โดยมุ่งเน้นที่การพัฒนาเลเซอร์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นหลัก ในปี 1989 มีการเสนอแนะว่าพลังงานสามารถส่งผ่านเลเซอร์จากโลกไปยังอวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน ในปี 1991 โครงการ SELENE (SpacE Laser ENErgy) ได้เริ่มต้นขึ้น ซึ่งรวมถึงการศึกษาการส่งพลังงานด้วยเลเซอร์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับฐานบนดวงจันทร์ โครงการ SELENE เป็นโครงการวิจัยสองปี แต่ค่าใช้จ่ายในการนำแนวคิดไปสู่การใช้งานจริงนั้นสูงเกินไป และโครงการอย่างเป็นทางการจึงสิ้นสุดลงในปี 1993 ก่อนที่จะมีการสาธิตในอวกาศ[ 81 ]

ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์เลเซอร์

ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์เลเซอร์มีขนาดเล็กกว่า หมายความว่าต้องทำงานเป็นกลุ่มร่วมกับดาวเทียมอื่นๆ ที่คล้ายกัน ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์เลเซอร์มีข้อดีหลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องต้นทุนโดยรวมที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับดาวเทียมอื่นๆ แม้ว่าต้นทุนจะต่ำกว่าดาวเทียมอื่นๆ แต่ก็มีข้อกังวลด้านความปลอดภัยและข้อกังวลอื่นๆ เกี่ยวกับดาวเทียมนี้[ 82 ]ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ที่ปล่อยเลเซอร์จำเป็นต้องเดินทาง ขึ้นไปในอวกาศเพียงประมาณ 400 กิโลเมตร แต่เนื่องจากกำลังการผลิตที่น้อย จึงจำเป็นต้องปล่อยดาวเทียมเลเซอร์หลายร้อยหรือหลายพันดวงเพื่อให้เกิดผลกระทบที่ยั่งยืน การปล่อยดาวเทียมเพียงดวงเดียวอาจมีค่าใช้จ่ายตั้งแต่ห้าสิบถึงสี่ร้อยล้านดอลลาร์ เลเซอร์อาจเป็นประโยชน์ในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากดวงอาทิตย์ในอวกาศเพื่อนำกลับมายังโลกเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานบนโลก[ 83 ]

ตำแหน่งวงโคจร

การออกแบบศูนย์ข้อมูลวงโคจรแบบซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์ โดยจะโคจรอยู่เหนือช่วง เปลี่ยนผ่านระหว่าง รุ่งอรุณและพลบค่ำของโลก

ข้อได้เปรียบหลักของการตั้งสถานีผลิตไฟฟ้าในอวกาศในวงโคจรค้างฟ้าคือ รูปทรงของเสาอากาศจะคงที่ ทำให้การจัดเรียงเสาอากาศให้ตรงกันทำได้ง่ายกว่า ข้อได้เปรียบอีกประการหนึ่งคือ สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องทันทีที่สถานีผลิตไฟฟ้าในอวกาศแห่งแรกถูกส่งขึ้นสู่วงโคจร ในขณะที่วงโคจรต่ำของโลก (LEO) ต้องใช้ดาวเทียมหลายดวงก่อนจึงจะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง

การส่งพลังงานจากวงโคจรค้างฟ้าด้วยคลื่นไมโครเวฟนั้นมีความยากลำบากตรงที่ขนาดของ "ช่องรับแสง" ที่ต้องการนั้นมีขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น การศึกษา SPS ของ NASA ในปี 1978 ต้องใช้ เสาอากาศส่งสัญญาณขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 กิโลเมตร และ เสาอากาศรับสัญญาณแบบเร็กเทนนาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 กิโลเมตร สำหรับลำแสงไมโครเวฟที่ความถี่ 2.45  GHzขนาดเหล่านี้สามารถลดลงได้บ้างโดยใช้ความยาวคลื่นที่สั้นลง แม้ว่าจะมีปัญหาเรื่องการดูดซับในชั้นบรรยากาศ เพิ่มขึ้น และอาจเกิดการปิดกั้นลำแสงจากฝนหรือละอองน้ำได้ เนื่องจากข้อจำกัดของอาร์เรย์ที่บางลงจึงไม่สามารถสร้างลำแสงที่แคบลงได้โดยการรวมลำแสงจากดาวเทียมขนาดเล็กหลายดวง ขนาดที่ใหญ่ของเสาอากาศส่งและรับสัญญาณหมายความว่าระดับพลังงานขั้นต่ำที่ใช้งานได้จริงสำหรับ SPS จะต้องสูง ระบบ SPS ขนาดเล็กนั้นเป็นไปได้ แต่ไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

มีการเสนอให้ใช้สถานีผลิตไฟฟ้าในอวกาศ LEO ( วงโคจรต่ำของโลก ) เป็น กลุ่ม นำร่องสำหรับ การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ GEO ( วงโคจรคงที่ของโลก ) [ 84 ]

เครื่องรับสัญญาณภาคพื้นดิน

เร็กเทนนาบนโลกน่าจะประกอบด้วยเสาอากาศไดโพล สั้นจำนวนมาก ที่เชื่อมต่อกันผ่านไดโอดการออกอากาศไมโครเวฟจากดาวเทียมจะถูกรับในไดโพลด้วยประสิทธิภาพประมาณ 85% [ 85 ]ด้วยเสาอากาศไมโครเวฟแบบดั้งเดิม ประสิทธิภาพการรับสัญญาณจะดีกว่า แต่ต้นทุนและความซับซ้อนก็สูงกว่ามากเช่นกัน เร็กเทนนาอาจมีขนาดหลายกิโลเมตร

ในด้านการประยุกต์ใช้ในอวกาศ

แบบจำลอง 3 มิติของระบบผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ แบบวง โคจรค้างฟ้าของดาวอังคาร

เลเซอร์ SBSP ยังสามารถให้พลังงานแก่ฐานหรือยานพาหนะบนพื้นผิวของดวงจันทร์หรือดาวอังคารได้ ซึ่งจะช่วยประหยัดต้นทุนด้านมวลในการนำแหล่งพลังงานลงจอด ยานอวกาศหรือดาวเทียมดวงอื่นก็สามารถได้รับพลังงานด้วยวิธีการเดียวกันนี้ ในรายงานปี 2012 ที่นำเสนอต่อ NASA เกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ผู้เขียนได้กล่าวถึงการใช้งานที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีเบื้องหลังพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ นั่นคือระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่สามารถใช้ในภารกิจสำรวจดาวเคราะห์ระหว่างมนุษย์ได้[ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]

ค่าใช้จ่ายในการเปิดตัว

ปัญหาหนึ่งของแนวคิด SBSP คือค่าใช้จ่ายในการส่งยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศ และปริมาณวัสดุที่ต้องส่งขึ้นไปด้วย

วัสดุจำนวนมากที่ส่งขึ้นไปไม่จำเป็นต้องถูกส่งไปยังวงโคจรปลายทางในทันที ซึ่งทำให้เกิดความเป็นไปได้ว่าเครื่องยนต์ประสิทธิภาพสูง (แต่ช้ากว่า) อาจสามารถเคลื่อนย้ายวัสดุ SPS จากวงโคจรต่ำของโลก (LEO) ไปยังวงโคจรคงที่ของโลก (GEO) ได้ในราคาที่ยอมรับได้ ตัวอย่างเช่นเครื่องยนต์ไอออนหรือระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์โครงสร้างพื้นฐานต่างๆ เช่น แผงโซลาร์เซลล์ ตัวแปลงพลังงาน และเครื่องส่งพลังงาน จะต้องถูกสร้างขึ้นเพื่อเริ่มต้นกระบวนการ ซึ่งจะมีค่าใช้จ่ายสูงมาก และค่าบำรุงรักษาจะยิ่งสูงกว่านั้นอีก

เพื่อให้เห็นภาพขนาดของปัญหา สมมติว่าแผงโซลาร์เซลล์มีมวล 20  กิโลกรัมต่อกิโลวัตต์ (โดยไม่คำนึงถึงมวลของโครงสร้างรองรับ เสาอากาศ หรือการลดมวลของกระจกสะท้อนแสงอย่างมีนัยสำคัญ) สถานีผลิตไฟฟ้าขนาด 4 GW จะมีน้ำหนักประมาณ 80,000 เมตริกตัน [ 89 ]ซึ่งทั้งหมดนี้จะต้องถูกปล่อยจากโลกในสถานการณ์ปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม นี่ห่างไกลจากเทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดสำหรับยานอวกาศที่บินได้ ซึ่งในปี 2015 อยู่ที่ 150  W/kg (6.7  kg/kW) และกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว[ 90 ]การออกแบบที่มีน้ำหนักเบาอาจทำให้ได้ 1  kg/kW [ 91 ]หมายความว่าแผงโซลาร์เซลล์จะมีน้ำหนัก 4,000 เมตริกตันสำหรับสถานีที่มีกำลังการผลิต 4 GW เท่ากัน นอกจากมวลของแผงแล้ว ยังต้องเพิ่มค่าใช้จ่ายอื่นๆ (รวมถึงการเพิ่มกำลังไปยังวงโคจรที่ต้องการและการรักษาสถานี) ด้วย

ค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดส่งดาวเทียมขนาด 4 GW ขึ้นสู่วงโคจรต่ำของโลก
1  กก./กิโลวัตต์5  กก./กิโลวัตต์20  กก./กิโลวัตต์
1 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม (ต้นทุนต่ำสุดที่ประมาณ 0.13 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมง ประสิทธิภาพ 100%)4 ล้านดอลลาร์20 ล้านดอลลาร์80 ล้านดอลลาร์
2000 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม (ตัวอย่างเช่นFalcon Heavy )8 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ40 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ160 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ
10,000 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม (เช่นAriane V )40 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ200 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ800 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ

นอกจากต้นทุนเหล่านี้แล้ว ยังต้องเพิ่มผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากภารกิจปล่อยจรวดอวกาศขนาดใหญ่ด้วย หากจะใช้ต้นทุนดังกล่าวเพื่อเปรียบเทียบกับการผลิตพลังงานบนโลก สำหรับการเปรียบเทียบ ต้นทุนโดยตรงของโรงไฟฟ้าถ่านหิน[ 92 ]หรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งใหม่มีราคาตั้งแต่ 3 พันล้านดอลลาร์ถึง 6 พันล้านดอลลาร์ต่อ GW (ไม่รวมต้นทุนทั้งหมดต่อสิ่งแวดล้อมจาก การ CO2หรือการจัดเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว)

การสร้างสิ่งก่อสร้างจากอวกาศ

ผลิตจากวัสดุบนดวงจันทร์ที่ถูกส่งขึ้นสู่วงโคจร

เจอราร์ด โอ'นีลสังเกตเห็นปัญหาเรื่องค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดที่สูงในช่วงต้นทศวรรษ 1970 จึงเสนอให้สร้าง SPS ในวงโคจรโดยใช้วัสดุจากดวงจันทร์ [ 93 ] ค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดจากดวงจันทร์นั้นอาจต่ำกว่าจากโลกมาก เนื่องจากแรงโน้มถ่วง ที่ต่ำกว่า และไม่มีแรงต้านของชั้นบรรยากาศข้อเสนอในช่วงทศวรรษ 1970 นี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานเกี่ยวกับค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดในอนาคตของกระสวยอวกาศของ NASA ตามที่ได้มีการโฆษณาไว้ในขณะนั้น แนวทางนี้จะต้องใช้เงินลงทุนล่วงหน้าจำนวนมากในการสร้างเครื่องขับเคลื่อนมวลบนดวงจันทร์[ 94 ]อย่างไรก็ตาม ในวันที่ 30 เมษายน 1979 รายงานฉบับสุดท้าย ("การใช้ทรัพยากรบนดวงจันทร์สำหรับการก่อสร้างในอวกาศ") โดยแผนก Convair ของ General Dynamics ภายใต้สัญญา NASA NAS9-15560 สรุปว่าการใช้ทรัพยากรบนดวงจันทร์จะมีราคาถูกกว่าวัสดุจากโลกสำหรับระบบดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์เพียง 30 ดวง แต่ละดวงมีกำลังการผลิต 10 GW [ 95 ]

ในปี พ.ศ. 2523 เมื่อเห็นได้ชัดว่าการประมาณการต้นทุนการปล่อยยานอวกาศของ NASA นั้นมองโลกในแง่ดีเกินไป O'Neill และคณะได้ตีพิมพ์แนวทางการผลิตอีกทางหนึ่งโดยใช้วัสดุจากดวงจันทร์ซึ่งมีต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่ามาก[ 96 ]แนวคิด SPS ในช่วงปี พ.ศ. 2523 นี้พึ่งพาการมีอยู่ของมนุษย์ในอวกาศน้อยลง และพึ่งพาระบบที่สามารถจำลองตัวเองได้ บางส่วน บนพื้นผิวดวงจันทร์ภายใต้การควบคุมระยะไกลของคนงานที่อยู่บนโลกมากขึ้นพลังงานสุทธิที่ได้ สูงจากข้อเสนอนี้มาจาก การที่แรงโน้มถ่วง ของดวงจันทร์ ตื้นกว่ามาก

การมีแหล่งวัตถุดิบจากอวกาศที่มีราคาต่อปอนด์ค่อนข้างถูกจะช่วยลดความกังวลเกี่ยวกับการออกแบบมวลต่ำและส่งผลให้มีการสร้าง SPS ประเภทที่แตกต่างออกไป ต้นทุนต่อปอนด์ที่ต่ำของวัสดุจากดวงจันทร์ในวิสัยทัศน์ของ O'Neill จะได้รับการสนับสนุนโดยการใช้วัสดุจากดวงจันทร์ในการผลิตสิ่งอำนวยความสะดวกในวงโคจรมากกว่าแค่ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ เทคนิคขั้นสูงสำหรับการปล่อยจากดวงจันทร์อาจลดต้นทุนในการสร้างดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์จากวัสดุจากดวงจันทร์ เทคนิคที่เสนอไว้บางส่วน ได้แก่ เครื่องขับมวลจากดวงจันทร์และลิฟต์อวกาศจากดวงจันทร์ซึ่ง Jerome Pearson เป็นผู้บรรยายเป็นครั้งแรก[ 97 ]จะต้องมีการจัดตั้ง เหมืองแร่ ซิลิคอนและโรงงานผลิตเซลล์แสงอาทิตย์บนดวงจันทร์

บนดวงจันทร์

นักฟิสิกส์ ดร. เดวิด คริสเวลล์แนะนำว่าดวงจันทร์เป็นสถานที่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ และส่งเสริมการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์บนดวงจันทร์[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]ข้อได้เปรียบหลักที่เขาคาดการณ์ไว้คือการก่อสร้างส่วนใหญ่จากวัสดุบนดวงจันทร์ที่มีอยู่ในท้องถิ่น โดยใช้การใช้ทรัพยากรใน พื้นที่ ด้วยโรงงานเคลื่อนที่และเครนที่ควบคุมจากระยะไกล เพื่อประกอบตัวสะท้อนคลื่นไมโครเวฟ และยานสำรวจเพื่อประกอบและปูเซลล์แสงอาทิตย์ [ 101 ]ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการปล่อยจรวดได้อย่างมากเมื่อเทียบกับการออกแบบ SBSP ดาวเทียมถ่ายทอดพลังงานที่โคจรรอบโลกและดวงจันทร์เพื่อสะท้อนลำแสงไมโครเวฟก็เป็นส่วนหนึ่งของโครงการนี้เช่นกัน โครงการสาธิตขนาด 1 GW เริ่มต้นที่ 50 พันล้านดอลลาร์[ 102 ]บริษัทShimizuใช้เลเซอร์และไมโครเวฟร่วมกันสำหรับ แนวคิด Luna Ringพร้อมกับดาวเทียมถ่ายทอดพลังงาน[ 103 ] [ 104 ]

จากดาวเคราะห์น้อย

การขุดแร่จากดาวเคราะห์น้อยก็ได้รับการพิจารณาอย่างจริงจังเช่นกัน การศึกษาการออกแบบของ NASA [ 105 ]ได้ประเมินยานขุดแร่ขนาด 10,000 ตัน (ที่จะประกอบในวงโคจร) ซึ่งจะนำชิ้นส่วนดาวเคราะห์น้อยขนาด 500,000 ตันกลับสู่วงโคจรค้างฟ้า โดยน้ำหนักบรรทุกของยานขุดแร่จะมีเพียงประมาณ 3,000 ตันเท่านั้นที่เป็นน้ำหนักบรรทุกมาตรฐานสำหรับการบินและอวกาศ ส่วนที่เหลือจะเป็นมวลปฏิกิริยาสำหรับเครื่องยนต์ขับเคลื่อนมวล ซึ่งสามารถจัดเรียงให้เป็นส่วนของจรวดที่ใช้แล้วในการปล่อยน้ำหนักบรรทุก สมมติว่าดาวเคราะห์น้อยที่นำกลับมาทั้งหมดมีประโยชน์ 100% และยานขุดแร่ดาวเคราะห์น้อยเองไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ นั่นหมายถึงการลดต้นทุนการปล่อยจรวดลงเกือบ 95% อย่างไรก็ตาม คุณค่าที่แท้จริงของวิธีการดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับการสำรวจแร่ธาตุอย่างละเอียดของดาวเคราะห์น้อยเป้าหมาย ซึ่งจนถึงขณะนี้เรามีเพียงการประมาณการองค์ประกอบของพวกมันเท่านั้น[ 106 ]ข้อเสนอหนึ่งคือการจับดาวเคราะห์น้อยอะโพฟิสเข้าสู่วงโคจรของโลกและแปลงเป็นดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ 150 ดวง ดวงละ 5 กิกะวัตต์ หรือดาวเคราะห์น้อย 1999 AN10 ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอะโพฟิสถึง 50 เท่า และมีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ 5 กิกะวัตต์ได้ 7,500 ดวง[ 107 ]

ความปลอดภัย

การที่มนุษย์และสัตว์บนพื้นดินอาจได้รับรังสีไมโครเวฟกำลังสูงเป็นข้อกังวลสำคัญเกี่ยวกับระบบเหล่านี้ ที่พื้นผิวโลก ลำแสงไมโครเวฟ SPSP ที่เสนอจะมีค่าความเข้มสูงสุดที่จุดศูนย์กลาง 23  mW/cm² [ 108 ] แม้ว่าค่านี้จะน้อยกว่า 1/4 ของค่าคงที่การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์แต่ไมโครเวฟสามารถทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อเยื่อได้ลึกกว่าแสงแดดมาก และที่ระดับนี้จะเกินขีดจำกัดการสัมผัสไมโครเวฟในสถานที่ทำงานตามพระราชบัญญัติความปลอดภัยและสุขภาพในการทำงานของสหรัฐอเมริกา (OSHA) ในปัจจุบันที่10 mW  /cm² [ 109 ] ที่ระดับ 23  mW/cm² การศึกษาแสดงให้เห็นว่ามนุษย์จะประสบปัญหาด้านการเรียนรู้และความจำเชิงพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญ[ 110 ]หากเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของอาร์เรย์ SPSP ที่เสนอขึ้น 2.5 เท่า ความหนาแน่นของพลังงานบนพื้นดินจะเพิ่มขึ้นเป็น 1  W/cm² [ a ] ​​ที่ระดับนี้ปริมาณรังสีที่ทำให้หนูตายโดยเฉลี่ยคือ 30-60 วินาทีของการสัมผัสไมโครเวฟ[ 111 ]แม้ว่าควรหลีกเลี่ยงการออกแบบอาร์เรย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 2.5 เท่า แต่ ศักยภาพทางทหาร แบบสองทางของระบบดังกล่าวก็เห็นได้ชัดเจน

ด้วยการออกแบบไซด์โลบอาร์เรย์ที่ดี นอกตัวรับอาจมีระดับต่ำกว่าระดับระยะยาวของ OSHA [ 112 ]เนื่องจากพลังงานลำแสงมากกว่า 95% จะตกกระทบที่เร็กเทนนา อย่างไรก็ตาม การชี้ดาวเทียมผิดพลาดโดยไม่ได้ตั้งใจหรือโดยเจตนาอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตบนโลกภายในลำแสงได้

การสัมผัสกับลำแสงสามารถลดลงได้หลายวิธี บนพื้นดิน หากลำแสงชี้ไปในทิศทางที่ถูกต้อง การเข้าถึงทางกายภาพจะต้องสามารถควบคุมได้ (เช่น ผ่านรั้วกั้น) เครื่องบินทั่วไปที่บินผ่านลำแสงจะให้ผู้โดยสารมีเปลือกโลหะป้องกัน (เช่นกรงฟาราเดย์ ) ซึ่งจะดักจับคลื่นไมโครเวฟเครื่องบินอื่นๆ ( บอลลูนเครื่องบินเบาพิเศษฯลฯ) สามารถหลีกเลี่ยงการสัมผัสได้โดยใช้พื้นที่ควบคุมทางอากาศ เช่นเดียวกับที่ทำอยู่ในปัจจุบันสำหรับพื้นที่ควบคุมทางอากาศทางทหารและอื่นๆ นอกจากนี้ ข้อจำกัดในการออกแบบคือลำแสงไมโครเวฟต้องไม่รุนแรงจนเป็นอันตรายต่อสัตว์ป่า โดยเฉพาะนก มีข้อเสนอแนะให้ติดตั้งเร็กเทนนาไว้นอกชายฝั่ง[ 113 ] [ 114 ]แต่สิ่งนี้ก่อให้เกิดปัญหาที่ร้ายแรง รวมถึงการกัดกร่อน ความเครียดทางกล และการปนเปื้อนทางชีวภาพ

แนวทางที่เสนอโดยทั่วไปในการรับประกันการกำหนดเป้าหมายลำแสงที่ปลอดภัยคือการใช้ เสาอากาศ/เร็กเทนนา แบบอาร์เรย์เฟสแบบ ย้อนกลับ ลำแสงไมโครเวฟ "นำร่อง" ที่ปล่อยออกมาจากศูนย์กลางของเร็กเทนนาบนพื้นดินจะสร้างหน้าคลื่นเฟสที่เสาอากาศส่งสัญญาณ ที่นั่น วงจรในแต่ละซับอาร์เรย์ของเสาอากาศจะเปรียบเทียบหน้าคลื่นเฟสของลำแสงนำร่องกับเฟสของนาฬิกาภายในเพื่อควบคุมเฟสของสัญญาณขาออก หากเลือกค่าชดเชยเฟสของลำแสงนำร่องให้เหมือนกันสำหรับทุกองค์ประกอบ ลำแสงที่ส่งควรจะอยู่ตรงกลางเร็กเทนนาอย่างแม่นยำและมีความสม่ำเสมอของเฟสสูง หากลำแสงนำร่องหายไปไม่ว่าด้วยเหตุผลใดก็ตาม (เช่น หากเสาอากาศส่งสัญญาณหันออกจากเร็กเทนนา) ค่าควบคุมเฟสจะล้มเหลวและลำแสงพลังงานไมโครเวฟจะเบี่ยงเบนโฟกัสโดยอัตโนมัติ[ 115 ]ระบบดังกล่าวจะไม่สามารถโฟกัสลำแสงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในที่ใดก็ตามที่ไม่มีตัวส่งลำแสงนำร่อง ผลกระทบระยะยาวของการส่งพลังงานผ่านไอโอโนสเฟียร์ในรูปแบบของไมโครเวฟยังคงต้องได้รับการศึกษา

ไทม์ไลน์

ในศตวรรษที่ 20

  • ปี 1941: ไอแซค อาสิมอฟ ตีพิมพ์เรื่องสั้นแนววิทยาศาสตร์เรื่อง "เหตุผล" (Reason) ซึ่งกล่าวถึงสถานีอวกาศที่ส่งพลังงานที่เก็บรวบรวมจากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์ต่างๆ โดยใช้ลำแสงไมโครเวฟ เรื่อง "เหตุผล" นี้ตีพิมพ์ในนิตยสาร "Astounding Science Fiction"
  • ปี 1968: ปีเตอร์ เกลเซอร์นำเสนอแนวคิดของระบบ "ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์" ซึ่งประกอบด้วยแผงรับแสงอาทิตย์ขนาดหลายตารางไมล์ โคจรอยู่ในวงโคจรซิงโครนัส ระดับสูง เพื่อรวบรวมและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็น ลำแสง ไมโครเวฟแล้วส่งพลังงานที่ใช้งานได้ไปยังเสาอากาศรับสัญญาณขนาดใหญ่ ( เร็กเทนนา ) บนโลกเพื่อกระจายต่อไป
  • พ.ศ. 2516: ปีเตอร์ กลาเซอร์ ได้รับสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 3,781,647 สำหรับวิธีการส่งพลังงานในระยะทางไกลโดยใช้คลื่นไมโครเวฟจากเสาอากาศขนาดใหญ่ (หนึ่งตารางกิโลเมตร) บนดาวเทียมไปยังเสาอากาศขนาดใหญ่กว่ามากบนพื้นดิน ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าเร็กเทนนา[ 8 ]
  • ปี 1978–1981: กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาและองค์การนาซาได้ศึกษาแนวคิดดาวเทียมผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ (SPS) อย่างละเอียด โดยได้เผยแพร่รายงานการออกแบบและการศึกษาความเป็นไปได้
  • 1987: แท่นถ่ายทอดสัญญาณระยะไกลแบบอยู่กับที่ : การทดลองของแคนาดา
  • ปี 1995–1997: นาซาทำการศึกษา "มุมมองใหม่" เกี่ยวกับแนวคิดและเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SSP)
  • ปี 1998: การศึกษาเพื่อกำหนดแนวคิดพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (Space Solar Power Concept Definition Study - CDS) ได้ระบุแนวคิดพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศที่น่าเชื่อถือและมีศักยภาพในเชิงพาณิชย์ พร้อมทั้งชี้ให้เห็นถึงความเสี่ยงทางเทคนิคและด้านโครงการ
  • พ.ศ. 2541: หน่วยงานอวกาศของญี่ปุ่นเริ่มพัฒนาระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SSPS) ซึ่งเป็นโครงการที่ดำเนินมาจนถึงปัจจุบัน[ 116 ]
  • ปี 1999: โครงการวิจัยและเทคโนโลยีสำรวจพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศของ NASA ( SERT ดูด้านล่าง ) เริ่มต้นขึ้น
  • 2000: จอห์น แมนกินส์ จาก NASA ให้การเป็นพยานในสภาผู้แทนราษฎรของสหรัฐอเมริกาโดยกล่าวว่า "SSP ขนาดใหญ่เป็นระบบบูรณาการที่ซับซ้อนมาก ซึ่งต้องอาศัยความก้าวหน้าครั้งสำคัญมากมายในด้านเทคโนโลยีและความสามารถในปัจจุบัน แผนงานด้านเทคโนโลยีได้รับการพัฒนาขึ้นโดยกำหนดเส้นทางที่เป็นไปได้สำหรับการบรรลุความก้าวหน้าที่จำเป็นทั้งหมด แม้ว่าจะใช้เวลาหลายทศวรรษก็ตาม[ 12 ]

ในศตวรรษที่ 21

  • 2001: NASDA (หนึ่งในหน่วยงานอวกาศแห่งชาติของญี่ปุ่นก่อนที่จะเป็นส่วนหนึ่งของJAXA ) ประกาศแผนการที่จะทำการวิจัยและสร้างต้นแบบเพิ่มเติมโดยการปล่อยดาวเทียมทดลองที่มีกำลัง 10 กิโลวัตต์และ 1 เมกะวัตต์[ 117 ] [ 118 ]
  • 2546: การศึกษาESA [ 119 ]
  • 2007: สำนักงานความมั่นคงอวกาศแห่งชาติ (NSSO) ของกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯออกรายงาน[ 120 ]เมื่อวันที่ 10 ตุลาคม 2007 ระบุว่าพวกเขามีเจตนาที่จะรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศเพื่อใช้บนโลกเพื่อช่วยความสัมพันธ์ระหว่างสหรัฐฯ กับตะวันออกกลางและการต่อสู้เพื่อน้ำมัน โรงงานสาธิตอาจมีค่าใช้จ่าย 10 พันล้านดอลลาร์ ผลิตได้ 10 เมกะวัตต์ และเริ่มดำเนินการได้ภายใน 10 ปี[ 121 ]
  • 2007: ในเดือนพฤษภาคม 2007 มีการจัดการประชุมเชิงปฏิบัติการที่ สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT)ในสหรัฐอเมริกาเพื่อทบทวนสถานะปัจจุบันของตลาดและเทคโนโลยี SBSP [ 122 ]
  • 2010: ศาสตราจารย์ Andrea Massa และ Giorgio Franceschetti ประกาศจัดเซสชั่นพิเศษในหัวข้อ "การวิเคราะห์ระบบไร้สายแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการส่งพลังงานแสงอาทิตย์" ใน งานสัมมนาวิชาการนานาชาติ Institute of Electrical and Electronics Engineers International Symposium on Antennas and Propagation ประจำ ปี 2010 [ 123 ]
  • 2010: องค์การวิจัยอวกาศแห่งอินเดียและสมาคมอวกาศแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาได้เปิดฟอรัมร่วมกันเพื่อเสริมสร้างความร่วมมือในการใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ผ่านตัวเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ฟอรัมนี้มีชื่อว่าโครงการริเริ่มคาลาม-เอ็นเอสเอส ตามชื่อของอดีตประธานาธิบดีอินเดียดร. เอพีเจ อับดุล คาลามโดยฟอรัมนี้จะวางรากฐานสำหรับโครงการพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ซึ่งอาจมีประเทศอื่นๆ เข้าร่วมด้วย[ 124 ]
  • 2010: Sky's No Limit: Space-Based solar power, the next major step in the Indo-US strategic partnership?เขียนโดย ร้อยโท ปีเตอร์ การ์เร็ตสัน แห่งกองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้รับการตีพิมพ์ที่สถาบันเพื่อการศึกษาและการวิเคราะห์ด้านการป้องกัน ประเทศ [ 125 ]
  • 2012: จีนเสนอการพัฒนาร่วมกันระหว่างอินเดียและจีนเพื่อพัฒนาดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ ระหว่างการเยือนของอดีตประธานาธิบดีอินเดียดร. เอพีเจ อับดุล คาลาม[ 39 ]
  • ปี 2015: โครงการริเริ่มพลังงานแสงอาทิตย์ใน อวกาศ (Space Solar Power Initiative - SSPI)ก่อตั้งขึ้นโดยความร่วมมือระหว่างสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) และบริษัทนอร์ธรอป กรัมแมน (Northrop Grumman Corporation) โดยคาดว่าจะให้เงินสนับสนุนประมาณ 17.5 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ในโครงการระยะเวลาสามปีเพื่อพัฒนาระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ
  • 2015: JAXA ประกาศเมื่อวันที่ 12 มีนาคม 2015 ว่าพวกเขาส่งคลื่นความถี่ 1.8 กิโลวัตต์ ระยะ 50 เมตร ไปยังเครื่องรับขนาดเล็กแบบไร้สาย โดยแปลงไฟฟ้าเป็นคลื่นไมโครเวฟแล้วแปลงกลับเป็นไฟฟ้าอีกครั้ง[ 46 ] [ 47 ]
  • 2016: พลโท จาง ยู่หลิน รองหัวหน้าแผนกพัฒนาอาวุธยุทโธปกรณ์ของกองบัญชาการทหารส่วนกลางของจีน เสนอแนะว่าจีนจะเริ่มใช้ประโยชน์จากอวกาศระหว่างโลกและดวงจันทร์เพื่อการพัฒนาอุตสาหกรรมต่อไป โดยมีเป้าหมายคือการสร้างดาวเทียมผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศที่จะส่งพลังงานกลับมายังโลก[ 126 ]
  • ปี 2016: ทีมที่ประกอบด้วยสมาชิกจากห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ (NRL), สำนักงานโครงการขั้นสูงด้านการป้องกันประเทศ (DARPA), มหาวิทยาลัยการบินกองทัพอากาศ, กองบัญชาการร่วมด้านโลจิสติกส์ (J-4), กระทรวงการต่างประเทศ, Makins Aerospace และ Northrop Grumman ชนะการแข่งขันนวัตกรรม D3 (การทูต การพัฒนา และการป้องกันประเทศ) ระดับหน่วยงาน ซึ่งจัดโดยรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหม (SECDEF) / รัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศ (SECSTATE) / ผู้อำนวยการ USAID ด้วยข้อเสนอที่ว่าสหรัฐฯ ต้องเป็นผู้นำด้านพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ข้อเสนอดังกล่าวตามมาด้วยวิดีโอวิสัยทัศน์
  • ปี 2016: กลุ่ม Citizens for Space-Based Solar Powerได้เปลี่ยนข้อเสนอ D3 ให้เป็นคำร้องที่เผยแพร่บนเว็บไซต์ทำเนียบขาวในหัวข้อ "America Must Lead the Transition to Space-Based Energy" และ Change.org ในหัวข้อ "USA Must Lead the Transition to Space-Based Energy" พร้อมด้วยวิดีโอ ต่อไป นี้
  • 2016: Erik Larson และคนอื่นๆ จาก NOAA จัดทำเอกสาร "การตอบสนองของบรรยากาศโลกต่อการปล่อยมลพิษจากระบบปล่อยจรวดอวกาศที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้" [ 127 ]เอกสารดังกล่าวระบุว่าสามารถสร้างดาวเทียมพลังงานได้ถึง 2 TW/ปี โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อบรรยากาศมากเกินไป ก่อนหน้านี้มีความกังวลว่าNO ที่เกิดจากการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศจะทำลายโอโซนมากเกินไป
  • 2016: เอียน แคช จาก SICA Designเสนอแนวคิดใหม่ CASSIOPeiA (Constant Aperture, Solid State, Integrated, Orbital Phased Array) รายชื่อคณาจารย์ SPS | วิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์
  • ปี 2017: NASA คัดเลือกข้อเสนอโครงการวิจัยใหม่ 5 โครงการที่มุ่งเน้นการลงทุนในอวกาศ โดย Colorado School of Mines มุ่งเน้นไปที่ "แนวโน้มในศตวรรษที่ 21 ด้านการผลิตและการจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ"
  • 2019: Aditya Baraskar และ Prof Toshiya Hanada จากSpace System Dynamic Laboratory มหาวิทยาลัย Kyushuเสนอ Energy Orbit (E-Orbit) [ 128 ]ซึ่งเป็นกลุ่มดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์อวกาศขนาดเล็กสำหรับการส่งพลังงานระหว่างดาวเทียมในวงโคจรต่ำของโลก โดยมีดาวเทียมทั้งหมด 1600 ดวงเพื่อส่งกระแสไฟฟ้า 10 กิโลวัตต์ใน รัศมี 500 กิโลเมตรที่ระดับความสูง 900  กิโลเมตร[ 129 ]
  • ปี 2019: จีนสร้างฐานทดสอบสำหรับ SBSP และประกาศแผนที่จะเปิดใช้งานสถานี SBSP ขนาด 200 ตัน ระดับเมกะวัตต์ที่ใช้งานได้จริงภายในปี 2035
  • 2020: ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ ปล่อยดาวเทียมทดสอบ[ 130 ]นอกจากนี้ กองทัพอากาศสหรัฐฯ ยังมีโครงการสาธิตและวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SSPIDR) ที่วางแผนจะปล่อยดาวเทียมทดสอบ ARACHNE [ 131 ] ARACHNE มีกำหนดปล่อยในปี 2024 [ 132 ]
  • ปี 2021: สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech)ประกาศแผนที่จะเปิดใช้งานระบบทดสอบ SBSP ภายในปี 2023
  • 2022: โครงการริเริ่มพลังงานอวกาศในสหราชอาณาจักรประกาศว่าจะปล่อยสถานีผลิตไฟฟ้าแห่งแรกในอวกาศในช่วงกลางทศวรรษ 2040 เพื่อ "จัดหาพลังงานไฟฟ้า 30 เปอร์เซ็นต์ของความต้องการไฟฟ้า (ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก) ของสหราชอาณาจักร" และ "ลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล" และความสัมพันธ์กับต่างประเทศของสหราชอาณาจักร[ 133 ]
  • 2022: องค์การอวกาศยุโรปเสนอโครงการที่เรียกว่าSOLARISเพื่อดำเนินการดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ตั้งแต่ปี 2030 [ 134 ]
  • 2023: เมื่อวันที่ 3 มีนาคม 2023 การทดลอง MAPLE ของCaltech (ดำเนินการโดยทีมที่นำโดย Ali Hajimiri ) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) ได้สาธิตการส่งพลังงานแบบไร้สายในอวกาศเป็นครั้งแรก โดยการส่งพลังงานไปยังตัวรับสัญญาณสองตัวที่แตกต่างกันในอวกาศ[ 5 ]นอกจากนี้ยังส่ง "พลังงานที่ตรวจจับได้" มายังโลก[ 135 ] [ 136 ]
  • 2025: นักวิจัยที่คิงส์คอลเลจลอนดอนประเมินว่าภายในปี 2050 พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศอาจสามารถตอบสนองความต้องการพลังงานหมุนเวียนส่วนใหญ่ของยุโรปได้[ 137 ] [ 138 ]

การกำหนดค่าที่ไม่เป็นไปตามแบบแผนทั่วไปและข้อพิจารณาทางสถาปัตยกรรม

ระบบอ้างอิงทั่วไปที่ประกอบด้วยระบบหลายระบบนั้นเกี่ยวข้องกับดาวเทียมจำนวนมาก (หลายพันระบบขนาดหลายกิกะวัตต์เพื่อให้บริการพลังงานทั้งหมดหรือส่วนสำคัญของความต้องการพลังงานของโลก) ในวงโคจร GEO การออกแบบอ้างอิงทั่วไปสำหรับดาวเทียมแต่ละดวงอยู่ในช่วง 1-10 กิกะวัตต์ และมักใช้แผงโซลาร์เซลล์แบบระนาบหรือแบบรวมแสงเป็นตัวเก็บ/แปลงพลังงาน การออกแบบการส่งสัญญาณที่พบได้ทั่วไปมากที่สุดอยู่ในย่านความถี่วิทยุ 1–10  GHz (2.45 หรือ 5.8  GHz) ซึ่งมีการสูญเสียในชั้นบรรยากาศน้อยที่สุด วัสดุสำหรับดาวเทียมมาจากและผลิตบนโลก และคาดว่าจะถูกขนส่งไปยังวงโคจร LEO โดยใช้จรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และขนส่งระหว่างวงโคจร LEO และ GEO โดยใช้ระบบขับเคลื่อนทางเคมีหรือไฟฟ้า โดยสรุปแล้ว ตัวเลือกทางสถาปัตยกรรมมีดังนี้:

  • ตำแหน่งที่ตั้ง = GEO
  • การเก็บพลังงาน = PV
  • ดาวเทียม = โครงสร้างแบบโมโนลิธิก
  • การส่งสัญญาณ = RF
  • วัสดุและการผลิต = โลก
  • การติดตั้ง = RLV ไปยัง LEO, สารเคมีไปยัง GEO

มีรูปแบบการออกแบบที่น่าสนใจหลายแบบที่แตกต่างจากระบบต้นแบบ:

สถานที่เก็บรวบรวมพลังงานทางเลือก: แม้ว่า GEO จะเป็นสถานที่ที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากมีข้อดีคืออยู่ใกล้โลก การเล็งและติดตามทำได้ง่าย ใช้เวลาในการบังดาวน้อย และสามารถปรับขนาดให้เพียงพอต่อความต้องการทั่วโลกได้หลายเท่า แต่ก็มีการเสนอสถานที่อื่นๆ ด้วยเช่นกัน:

  • ดวงอาทิตย์และโลก L1: Robert Kennedy III, Ken Roy และ David Fields ได้เสนอรูปแบบหนึ่งของแผ่นบังแดด L1 ที่เรียกว่า "Dyson Dots" [ 139 ]โดยที่ตัวเก็บรวบรวมหลักขนาดหลายเทราวัตต์จะส่งพลังงานกลับไปยังดาวเทียมรับสัญญาณแบบซิงโครนัสกับดวงอาทิตย์ในวงโคจรต่ำของโลก ระยะทางที่ไกลกว่ามากไปยังโลกต้องการช่องรับแสงที่ใหญ่ขึ้นตามไปด้วย
  • พื้นผิวดวงจันทร์: เดวิด คริสเวลล์เสนอให้ใช้พื้นผิวดวงจันทร์เองเป็นสื่อกลางในการรวบรวมพลังงาน โดยส่งพลังงานไปยังพื้นดินผ่านชุดสะท้อนคลื่นไมโครเวฟในวงโคจรของโลก ข้อได้เปรียบหลักของแนวทางนี้คือความสามารถในการผลิตตัวเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในสถานที่โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและความซับซ้อนของการปล่อยจรวด ข้อเสียได้แก่ ระยะทางที่ไกลกว่ามาก ต้องใช้ระบบส่งสัญญาณขนาดใหญ่ขึ้น ต้อง "สร้างเกินความจำเป็น" เพื่อรับมือกับกลางคืนบนดวงจันทร์ และความยากลำบากในการผลิตและการชี้ตำแหน่งของดาวเทียมสะท้อนแสงให้เพียงพอ[ 140 ]
  • MEO: ระบบ MEO ได้รับการเสนอสำหรับการใช้งานในอวกาศและโครงสร้างพื้นฐานการขับเคลื่อนด้วยพลังงานลำแสง ตัวอย่างเช่น ดูเอกสารของ Royce Jones [ 141 ]
  • วงโคจรวงรีสูง: วงโคจร Molniya, Tundra หรือ Quazi Zenith ได้รับการเสนอให้เป็นตำแหน่งเริ่มต้นสำหรับตลาดเฉพาะกลุ่ม ซึ่งต้องใช้พลังงานน้อยลงในการเข้าถึงและให้ความคงทนที่ดี[ 142 ]
  • โคจรในวงโคจรต่ำที่ซิงโครไนซ์กับดวงอาทิตย์: ในวงโคจรใกล้ขั้วโลกนี้ ดาวเทียมจะหมุนควงในอัตราที่ทำให้พวกมันหันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์เสมอขณะที่โคจรรอบโลก วงโคจรนี้เข้าถึงได้ง่ายและใช้พลังงานน้อยกว่ามาก อีกทั้งอยู่ใกล้โลกมาก จึงต้องการช่องรับสัญญาณที่เล็กกว่า (และจึงมีมวลน้อยกว่า) อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของวิธีนี้ ได้แก่ การต้องเปลี่ยนสถานีรับสัญญาณอยู่ตลอดเวลา หรือการเก็บพลังงานไว้สำหรับการส่งสัญญาณแบบฉับพลัน วงโคจรนี้แออัดอยู่แล้วและมีเศษซากอวกาศจำนวนมาก
  • วงโคจรต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร: โครงการ SPS 2000 ของญี่ปุ่นเสนอให้มีเครื่องสาธิตเบื้องต้นในวงโคจรต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตร ซึ่งประเทศที่เข้าร่วมหลายประเทศในบริเวณเส้นศูนย์สูตรจะได้รับพลังงานบางส่วน[ 143 ]
  • พื้นผิวโลก: Narayan Komerath ได้เสนอโครงข่ายพลังงานอวกาศ โดยพลังงานส่วนเกินจากโครงข่ายหรือโรงไฟฟ้าที่มีอยู่ด้านหนึ่งของโลกสามารถส่งขึ้นไปยังวงโคจร ข้ามไปยังดาวเทียมอีกดวงหนึ่ง และลงมายังเครื่องรับ[ 144 ]

การเก็บรวบรวมพลังงาน: การออกแบบดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ที่พบได้ทั่วไปที่สุดคือแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งอาจเป็นแบบแผ่นเรียบ (และโดยปกติจะระบายความร้อนแบบพาสซีฟ) หรือแบบรวมแสง (และอาจระบายความร้อนแบบแอคทีฟ) อย่างไรก็ตาม ยังมีรูปแบบที่น่าสนใจอีกมากมาย

  • พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์: ผู้สนับสนุนพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์เสนอให้ใช้ความร้อนเข้มข้นเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะของของเหลวเพื่อดึงพลังงานออกมาผ่านเครื่องจักรหมุน ตามด้วยการระบายความร้อนในหม้อน้ำ ข้อดีของวิธีนี้อาจรวมถึงมวลโดยรวมของระบบ (ซึ่งเป็นที่ถกเถียงกัน) การกำจัดความเสื่อมสภาพเนื่องจากความเสียหายจากลมสุริยะ และความทนทานต่อรังสี ภาพจำลองการออกแบบดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ความร้อนล่าสุดโดยKeith Hensonและคณะ ได้แสดงไว้ในที่นี้แนวคิดพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศแบบความร้อนแนวคิดที่เกี่ยวข้องอยู่ที่นี่: การบูตสแตรปพลังงานแบบลำแสงหม้อน้ำที่เสนอเป็นท่อพลาสติกผนังบางที่บรรจุไอน้ำความดันต่ำ (2.4 kPa) และอุณหภูมิต่ำ (20 องศาเซลเซียส)
  • เลเซอร์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงาน: ญี่ปุ่นได้พัฒนาเลเซอร์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานโดยใช้แสงอาทิตย์กระตุ้นตัวกลางในการสร้างลำแสงเลเซอร์โดยตรงมายังโลก
  • สเตลลาเซอร์: แนวคิดสมมุติเกี่ยวกับเลเซอร์ขนาดใหญ่ที่ใช้ดาวฤกษ์เป็นทั้งแหล่งพลังงานและตัวกลางในการสร้างลำแสงเลเซอร์ ทำให้เกิดลำแสงพลังงานที่ควบคุมทิศทางได้และทรงพลังอย่างหาที่เปรียบไม่ได้
  • การสลายตัวของฟิวชัน: ดาวเทียมพลังงานรุ่นนี้ไม่ใช่ "พลังงานแสงอาทิตย์" แต่สุญญากาศในอวกาศถูกมองว่าเป็น "คุณสมบัติ ไม่ใช่ข้อบกพร่อง" สำหรับปฏิกิริยาฟิวชันแบบดั้งเดิม ตามที่พอล เวอร์บอส กล่าวไว้ว่า หลังจากปฏิกิริยาฟิวชัน แม้แต่ partículas ที่เป็นกลางก็จะสลายตัวเป็น partículas ที่มีประจุ ซึ่งในปริมาตรที่ใหญ่พอ จะสามารถแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง
  • วงจรลมสุริยะ : เรียกอีกอย่างว่าดาวเทียมไดสัน-แฮร์รอปดาวเทียมชนิดนี้ไม่ได้ใช้โฟตอนจากดวงอาทิตย์ แต่ใช้ประโยชน์จากอนุภาคที่มีประจุในลมสุริยะ ซึ่งผ่านการเชื่อมต่อทางแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรขนาดใหญ่
  • กระจกสะท้อนโดยตรง: แนวคิดแรกเริ่มสำหรับการเปลี่ยนทิศทางแสงโดยตรงไปยังโลกโดยใช้กระจกสะท้อนนั้นประสบปัญหาที่ว่ารังสีที่มาจากดวงอาทิตย์ไม่ได้ขนานกัน แต่แผ่ขยายออกมาจากแผ่นดิสก์ ดังนั้นขนาดของจุดบนโลกจึงค่อนข้างใหญ่ Lewis Fraas ได้สำรวจอาร์เรย์ของกระจกพาราโบลาเพื่อเสริมแผงโซลาร์เซลล์ที่มีอยู่[ 145 ]

สถาปัตยกรรมดาวเทียมแบบอื่น: โดยทั่วไปดาวเทียมจะมีโครงสร้างแบบชิ้นเดียว ประกอบด้วยโครงสร้างคานรับแสง ตัวรับแสงหนึ่งตัวหรือมากกว่า ตัวส่งสัญญาณหนึ่งตัวหรือมากกว่า และบางครั้งอาจมีตัวสะท้อนแสงหลักและรอง โครงสร้างทั้งหมดอาจใช้การทรงตัวด้วยแรงโน้มถ่วง การออกแบบทางเลือกอื่นๆ ได้แก่:

  • ฝูงดาวเทียมขนาดเล็ก: การออกแบบบางแบบเสนอฝูงดาวเทียมขนาดเล็กที่บินได้อย่างอิสระ นี่เป็นกรณีของการออกแบบเลเซอร์หลายแบบ และดูเหมือนจะเป็นกรณีของ Flying Carpets ของ CALTECH [ 146 ]สำหรับการออกแบบ RF ข้อจำกัดทางวิศวกรรมคือปัญหาอาร์เรย์ที่บางลง
  • ส่วนประกอบลอยตัวอิสระ: Solarenได้เสนอทางเลือกอื่นแทนโครงสร้างแบบโมโนลิธิก โดยที่ตัวสะท้อนแสงหลักและตัวสะท้อนแสงส่งผ่านนั้นลอยตัวอิสระ[ 147 ]
  • การรักษาเสถียรภาพด้วยการหมุน: นาซาได้สำรวจแนวคิดฟิล์มบางที่รักษาเสถียรภาพด้วยการหมุน
  • โครงสร้างที่เสถียรด้วยเลเซอร์โฟตอนิก (PLT): Young Bae ได้เสนอว่าแรงดันโฟตอนอาจใช้แทนส่วนประกอบรับแรงอัดในโครงสร้างขนาดใหญ่ได้[ 148 ]

การส่งกำลังไฟฟ้า: การออกแบบที่พบได้ทั่วไปสำหรับการส่งกำลังไฟฟ้าคือการใช้เสาอากาศ RF ที่ความถี่ต่ำกว่า 10  GHz ไปยังเร็กเทนนาบนพื้นดิน มีข้อถกเถียงเกี่ยวกับข้อดีข้อเสียของไคลสตรอน ไจโรตรอน แมกเนตรอน และโซลิดสเตท แนวทางการส่งกำลังไฟฟ้าทางเลือกอื่นๆ ได้แก่:

  • เลเซอร์: เลเซอร์มีข้อดีคือต้นทุนและมวลเริ่มต้นต่ำกว่ามาก อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อถกเถียงเกี่ยวกับประโยชน์ในด้านประสิทธิภาพ เลเซอร์ช่วยให้สามารถใช้ช่องรับและส่งที่มีขนาดเล็กกว่ามากได้ แต่ลำแสงที่มีความเข้มข้นสูงนั้นก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับความปลอดภัยของดวงตา ความปลอดภัยจากอัคคีภัย และการนำไปใช้เป็นอาวุธ ผู้สนับสนุนเชื่อว่าพวกเขามีคำตอบสำหรับข้อกังวลเหล่านี้ทั้งหมดแล้ว แนวทางที่ใช้เลเซอร์ยังต้องหาวิธีอื่นในการรับมือกับเมฆและฝนด้วย
  • ท่อนำคลื่นบรรยากาศ: บางคนเสนอว่าอาจเป็นไปได้ที่จะใช้เลเซอร์พัลส์สั้นเพื่อสร้างท่อนำคลื่นบรรยากาศซึ่งไมโครเวฟที่มีความเข้มข้นสามารถไหลผ่านได้[ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]
  • การสังเคราะห์นิวเคลียร์: เครื่องเร่งอนุภาคที่ตั้งอยู่ในระบบสุริยะชั้นใน (ไม่ว่าจะอยู่ในวงโคจรหรือบนดาวเคราะห์เช่นดาวพุธ ) สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในการสังเคราะห์เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จากวัสดุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติได้ แม้ว่าวิธีนี้จะไม่มีประสิทธิภาพมากนักด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน (ในแง่ของปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการผลิตเชื้อเพลิงเมื่อเทียบกับปริมาณพลังงานที่มีอยู่ในเชื้อเพลิง) และจะก่อให้เกิด ปัญหา ด้านความปลอดภัยทางนิวเคลียร์ อย่างชัดเจน แต่เทคโนโลยีพื้นฐานที่ใช้ในแนวทางนี้ได้ถูกนำมาใช้มานานหลายทศวรรษแล้ว ทำให้เป็นวิธีการส่งพลังงานที่น่าเชื่อถือที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะทางไกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากระบบสุริยะชั้นในไปยังระบบสุริยะชั้นนอก

วัสดุและการผลิต: การออกแบบทั่วไปใช้ระบบการผลิตทางอุตสาหกรรมที่พัฒนาแล้วบนโลก และใช้วัสดุจากโลกทั้งสำหรับดาวเทียมและเชื้อเพลิงขับเคลื่อน รูปแบบต่างๆ ได้แก่:

  • วัสดุจากดวงจันทร์: มีแบบจำลองสำหรับดาวเทียมผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้วัสดุมากกว่า 99% จากดินบนดวงจันทร์ โดยมีส่วนประกอบเพิ่มเติมเล็กน้อยจากแหล่งอื่นๆ การใช้วัสดุจากดวงจันทร์นั้นน่าสนใจเพราะการปล่อยจากดวงจันทร์นั้นในทางทฤษฎีแล้วซับซ้อนน้อยกว่าการปล่อยจากโลกมาก ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ ดังนั้นส่วนประกอบต่างๆ จึงไม่จำเป็นต้องบรรจุอย่างแน่นหนาในเปลือกหุ้ม และทนต่อแรงสั่นสะเทือน ความดัน และอุณหภูมิ การปล่อยอาจทำได้โดยใช้ตัวขับมวลแม่เหล็กและไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงในการปล่อยเลย การปล่อยจากดวงจันทร์ในวงโคจรคงที่ (GEO) ยังใช้พลังงานน้อยกว่าการปล่อยจากโลกที่มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่ามาก การสร้างดาวเทียมผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดเพื่อผลิตพลังงานที่จำเป็นสำหรับทั้งโลกนั้นใช้มวลน้อยกว่าหนึ่งในล้านของมวลดวงจันทร์เสียอีก
  • การจำลองตัวเองบนดวงจันทร์: NASA ได้สำรวจโรงงานจำลองตัวเองบนดวงจันทร์ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 [ 152 ]เมื่อไม่นานมานี้ Justin Lewis-Webber ได้เสนอวิธีการผลิตองค์ประกอบหลักแบบเฉพาะเจาะจง[ 153 ]โดยอิงจากการออกแบบ SPS-Alpha ของ John Mankins [ 154 ] [ 155 ]
  • วัสดุจากดาวเคราะห์น้อย: เชื่อกันว่าดาวเคราะห์น้อยบางดวงมีค่า Delta-V ต่ำกว่าดวงจันทร์ ทำให้สามารถดึงวัสดุกลับมาได้ง่ายกว่า และวัสดุที่น่าสนใจบางชนิด เช่น โลหะ อาจมีความเข้มข้นสูงกว่าหรือเข้าถึงได้ง่ายกว่า
  • การผลิตในอวกาศ/ในสถานที่: ด้วยการเกิดขึ้นของการผลิตแบบเติมแต่งในอวกาศ แนวคิดต่างๆ เช่น SpiderFab อาจอนุญาตให้มีการปล่อยวัตถุดิบจำนวนมากเพื่อการอัดขึ้นรูปในพื้นที่[ 156 ]

วิธีการติดตั้ง / การขนส่งวัสดุไปยังสถานที่เก็บพลังงาน: ในแบบร่างอ้างอิง วัสดุส่วนประกอบจะถูกส่งขึ้นสู่วงโคจรต่ำของโลก (LEO) โดยใช้จรวดเคมีที่เข้าใจกันดี (โดยปกติเป็นระบบปล่อยจรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์) จากนั้นจะใช้ระบบขับเคลื่อนทางเคมีหรือไฟฟ้าในการนำวัสดุเหล่านั้นขึ้นสู่วงโคจรคงที่ของโลก (GEO) คุณลักษณะที่ต้องการสำหรับระบบนี้คือ อัตราการไหลของมวลสูงในต้นทุนรวมต่ำ แนวคิดทางเลือกอื่นๆ ได้แก่:

  • การปล่อยสารเคมีลงสู่ดวงจันทร์: ULA เพิ่งนำเสนอแนวคิดสำหรับยานลงจอดทางเคมี XEUS ที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์เพื่อขนส่งวัสดุจากพื้นผิวดวงจันทร์ไปยัง LLO หรือ GEO [ 157 ]
  • เครื่องส่งมวลจากดวงจันทร์: การปล่อยวัสดุจากพื้นผิวดวงจันทร์โดยใช้ระบบที่คล้ายกับเครื่องดีดแม่เหล็กไฟฟ้าของเรือบรรทุกเครื่องบิน ทางเลือกขนาดกะทัดรัดที่ยังไม่ได้รับการสำรวจคือ สลิงกาตรอน
  • ลิฟต์อวกาศดวงจันทร์ : สายเคเบิลที่อยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรหรือใกล้เส้นศูนย์สูตรจะทอดยาวไปยังและผ่านจุดลากรางจ์ ผู้สนับสนุนอ้างว่าวิธีนี้มีมวลน้อยกว่าระบบขับเคลื่อนมวลแบบดั้งเดิม
  • ลิฟต์อวกาศ : แถบนาโนทิวบ์คาร์บอนบริสุทธิ์ทอดยาวจากจุดศูนย์กลางมวลในวงโคจรค้างฟ้า ทำให้ผู้ปีนป่ายสามารถขึ้นไปยังวงโคจรค้างฟ้าได้ ปัญหาที่พบได้แก่ ความท้าทายด้านวัสดุในการสร้างแถบที่มีความยาวมาก (36,000  กิโลเมตร!) ให้มีความแข็งแรงเพียงพอ การจัดการกับการชนกับดาวเทียมและเศษซากอวกาศ และฟ้าผ่า
  • MEO Skyhook: ในการศึกษาของ AFRL โรเจอร์ เลนาร์ด ได้เสนอแนวคิด MEO Skyhook ขึ้นมา ดูเหมือนว่าสายเคเบิลที่รักษาเสถียรภาพด้วยแรงโน้มถ่วง โดยมีจุดศูนย์กลางมวลอยู่ในวงโคจรระดับกลาง (MEO) นั้น สามารถสร้างได้จากวัสดุที่มีอยู่ ส่วนล่างของ Skyhook จะอยู่ใกล้ชั้นบรรยากาศใน "วงโคจรที่ไม่ใช่แบบเคปเลอร์" จรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้สามารถปล่อยตัวเพื่อให้ระดับความสูงและความเร็วตรงกับส่วนล่างของสายเคเบิลซึ่งอยู่ในวงโคจรที่ไม่ใช่แบบเคปเลอร์ (เคลื่อนที่ช้ากว่าความเร็ววงโคจรปกติมาก) จากนั้นสัมภาระจะถูกถ่ายโอนและไต่ขึ้นไปตามสายเคเบิล ตัวสายเคเบิลเองจะถูกป้องกันไม่ให้หลุดออกจากวงโคจรโดยใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและ/หรือผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้า
  • การปล่อย MAGLEV / StarTram : John Powell มีแนวคิดเกี่ยวกับระบบที่มีอัตราการไหลของมวลสูง ในระบบรุ่นแรกที่สร้างขึ้นบนภูเขา จะเร่งความเร็วของน้ำหนักบรรทุกผ่านราง MAGLEV ที่เป็นสุญญากาศ จรวดขนาดเล็กบนยานจะทำให้น้ำหนักบรรทุกเป็นวงกลม[ 158 ]
  • การปล่อยพลังงานแบบลำแสง: เควิน พาร์กินและอีสเคป ไดนามิกส์ต่างก็มีแนวคิด[ 159 ]สำหรับการฉายรังสีจากภาคพื้นดินของยานปล่อยเชื้อเพลิงเดี่ยวโดยใช้พลังงาน RF พลังงาน RF จะถูกดูดซับและให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงโดยตรง ซึ่งไม่ต่างจากพลังงานความร้อนนิวเคลียร์แบบ NERVA เลเซอร์โมทีฟมีแนวคิดสำหรับวิธีการที่ใช้เลเซอร์

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. การเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอาร์เรย์อวกาศขึ้น 2.5 เท่า จะทำให้จำนวนองค์ประกอบของอาร์เรย์เพิ่มขึ้น 6.25 เท่า ซึ่งจะเพิ่มกำลังไฟฟ้ารวมที่ส่งผ่านขึ้นตามสัดส่วนนี้ นอกจากนี้ สำหรับลำแสงไมโครเวฟแบบโคherent พื้นที่จุดตกกระทบพื้นจะลดลง 6.25 เท่า ดังนั้นความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าบนพื้นจึงเพิ่มขึ้น 6.25² = 40 เท่า ซึ่งจะทำให้ค่าที่เสนอไว้ 23 W/cm²เพิ่ม ขึ้น เป็นประมาณ 1 W/ cm²
  • องค์การอวกาศยุโรป (ESA) – ทีมพัฒนาแนวคิดขั้นสูง ด้านพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ
  • วิลเลียม มาเนสส์ เขียนเกี่ยวกับเหตุผลที่พลังงานทางเลือกและระบบโครงข่ายไฟฟ้าไม่เข้ากัน และแผนการของเขาในการส่งพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศในนิตยสาร Seed
  • โลกต้องการพลังงานจากอวกาศเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเป็นกุญแจสำคัญสู่อนาคตด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมของโลก ดังที่ปีเตอร์ อี. เกลเซอร์ผู้บุกเบิกเทคโนโลยีนี้ กล่าวไว้
  • "การคิดค้นดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นใหม่" NASA 2004–212743 รายงานโดยเจฟฟรีย์ เอ. แลนดิสจากศูนย์วิจัยเกล็นน์ของนาซา
  • แผนการของญี่ปุ่นในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ - รัฐบาลญี่ปุ่นหวังว่าจะประกอบแผงโซลาร์เซลล์ในอวกาศให้ได้ภายในปี 2040
  • บริษัท สเปซ เอนเนอร์จี จำกัด - บริษัท สเปซ เอนเนอร์จี จำกัด
  • เกิดอะไรขึ้นกับดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์?บทความนี้จะกล่าวถึงอุปสรรคต่างๆ ที่ขัดขวางการส่งดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นสู่อวกาศ
  • ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์จากวัสดุดวงจันทร์และดาวเคราะห์น้อย(เก็บถาวรเมื่อ 25 กันยายน 2020 ที่Wayback Machine)ให้ภาพรวมของการพัฒนาทางเทคโนโลยีและการเมืองที่จำเป็นต่อการสร้างและใช้งานดาวเทียมผลิตพลังงานหลายกิกะวัตต์ นอกจากนี้ยังให้มุมมองเกี่ยวกับต้นทุนที่ประหยัดได้จากการใช้วัสดุนอกโลกในการสร้างดาวเทียมด้วย
  • การกลับมาเฟื่องฟูอีกครั้งของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ? ​​โดย เจฟฟ์ ฟอสต์ วันจันทร์ที่ 13 สิงหาคม 2550รายงานเกี่ยวกับความสนใจจากสถาบันต่างๆ ที่กลับมาอีกครั้งในด้านพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ และการขาดความสนใจดังกล่าวในทศวรรษที่ผ่านมา
  • "การศึกษาเชิงแนวคิดเกี่ยวกับดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ SPS 2000" เก็บถาวรเมื่อวันที่ 25 กรกฎาคม 2551 ในWayback Machineโดย Makoto Nagatomo, Susumu Sasaki และ Yoshihiro Naruo
  • นักวิจัยส่งพลังงานแสงอาทิตย์จาก 'อวกาศ' มายังฮาวาย ( Wired Science)
  • เก็บถาวรเมื่อวันที่ 14 เมษายน 2018 ที่Wayback Machineห้องสมุดพลังงานแสงอาทิตย์อวกาศของสมาคมอวกาศแห่งชาติ
  • อนาคตของพลังงานขึ้นอยู่กับความต้องการใช่หรือไม่?การประชุมพิเศษในงานFestival delle Città Impresa ปี 2010 โดยมีวิทยากรได้แก่ John Mankins (Artemis Innovation Management Solutions LLC, สหรัฐอเมริกา), Nobuyuki Kaya ( มหาวิทยาลัยโกเบ , ญี่ปุ่น), Sergio Garribba ( กระทรวงพัฒนาเศรษฐกิจ , อิตาลี), Lorenzo Fiori ( Finmeccanica Group, อิตาลี), Andrea Massa ( มหาวิทยาลัยเทรนโต , อิตาลี) และ Vincenzo Gervasio ( Consiglio Nazionale dell'Economia ed del Lavoro , อิตาลี) เอกสารไวท์เปเปอร์ - ประวัติการพัฒนา SPS สหภาพวิทยาศาสตร์วิทยุระหว่างประเทศ 2007
  • การประกวดออกแบบดาวเทียม SunSat ระดับนานาชาติ
  • การจำลองการรับสัญญาณ AM จากเสาอากาศที่จ่ายไฟให้กับโหลดเหนี่ยวนำสองตัวและชาร์จแบตเตอรี่
  • เดอ ลา การ์ซา, อเลฮานโดร (1 มิถุนายน 2023). "นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้ความเป็นจริงในนิยายวิทยาศาสตร์ของการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอีกก้าวหนึ่ง" . ไทม์ . สืบค้นเมื่อ5 มิถุนายน 2023 .{{cite web}}: CS1 maint: บริการเก็บถาวรที่เลิกใช้แล้ว ( ลิงก์ )
  • พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศวิดีโอ 5 นาที เกี่ยวกับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ โดยองค์การอวกาศยุโรป
  • การขับเคลื่อนโลก:วิดีโอสตรีมมิ่งความยาว 20 นาทีจาก The Futures Channel ที่ให้ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ
  • แผงโซลาร์เซลล์ Space Solar Power NewSpace 2010 ความยาว 72 นาที
  • ระบบพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานอวกาศ SSI  – การผลิตในอวกาศ แผงที่ 14  – 2010  – 27 นาที
  • ดีวีดีของนาซา 16 ตอนสำรวจพรมแดนใหม่เพื่อความต้องการด้านพลังงานในอนาคต
  • การแถลงข่าวพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ วันที่ 12 กันยายน 2551 (71 นาที) สมาคมอวกาศแห่งชาติ
  • BBC One - Bang Goes the Theory ซีรีส์ 6 ตอนที่ 5 การส่งพลังงานแบบไร้สาย BBC/Lighthouse DEV การสาธิตการส่งพลังงานด้วยเลเซอร์ที่ปลอดภัยต่อสายตา
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Space-based_solar_power&oldid=1360738292 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ

พลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ ( SBSPหรือSSP ) คือแนวคิดในการเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศด้วยดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ (SPS) และส่งกลับมายังโลกข้อดีของระบบนี้ได้แก่

ประวัติศาสตร์

ในปี 1941 ไอแซค อาสิมอฟ นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ได้ตีพิมพ์เรื่องสั้นนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง " Reason " ซึ่งสถานีอวกาศส่งพลังงานที่รวบรวมได้จากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์ต่างๆ แผงโซลาร์เซลล์บนยานอวกาศ ถูกนำมาใช้ตั้งแต่ปี 1958 เมื่อ ยานแวนการ์ด 1...

การพัฒนาและการประเมินแนวคิด

ระหว่างปี 1978 ถึง 1986 รัฐสภา ได้อนุมัติให้ กระทรวงพลังงาน (DoE) และ NASA ร่วมกันตรวจสอบแนวคิดดังกล่าว พวกเขาได้จัดตั้งโครงการพัฒนาและประเมินแนวคิดระบบพลังงานดาวเทียมขึ้น [ 10 ] [ 11 ] การศึกษานี้ยังคงเป็นการศึกษาที่ครอบคลุมมากที่สุดเท่าที่เคยดำเนินการมา...

Exploratory Research and Technology program

In 1999, NASA initiated its Space Solar Power Exploratory Research and Technology program (SERT) for the following purposes: [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]