Warum werden Sonnenkollektoren in Weltraum-Solarstromkonzepten nicht näher an der Sonne platziert?

Ich denke schon seit geraumer Zeit über Weltraum-Solarenergie nach, wie sie rentabler sein könnte als bodengestützte Solarenergie. Von allen Konzepten, die ich gesehen habe, ist das Hauptproblem, das ich immer sehe, die Umwandlung des Großteils der Sonnenenergie in Mikrowellenenergie, um zurück auf den Boden zu strahlen, um sie wieder in elektrische Energie umzuwandeln, und deren einziger Vorteil darin besteht, dass sie über der Atmosphäre liegt um eine gleichmäßigere Sonnenenergie zu erhalten. Also, hier ist der Gedanke, den ich hatte.

  1. Warum werden die Sonnenkollektoren nicht näher an der Sonne platziert, wo der Sonnenfluss VIEL höher ist? (2 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt ist der Sonnenfluss fast 10.000-mal so hoch wie der auf der Erde erfahrene Fluss, was bedeutet, dass große Energiemengen mit kleineren Paneelen extrahiert werden können) Der Weltraum bietet den Vorteil, dass Kollektoren viel näher an der Sonne platziert werden können der Energiequelle, ist der Hauptgrund dafür, dies nicht zu tun, die Probleme mit der Umleitung dieser Energie zur Erde? Oder in der Lage zu sein, Solarmodule zu bauen, die die enorme Menge an Strom bewältigen können?
  2. Warum wird die von Satelliten in Solarstromsatelliten eingefangene Sonnenenergie nicht optisch auf die Erde übertragen? (Im Wesentlichen Sonnenlicht auf den Boden reflektieren, anstatt es in Mikrowellen umzuwandeln) Ich würde mir vorstellen, dass die Energie durch Streuung verloren geht, aber wäre die Effizienz des Sendens optischer Energie nach unten nicht höher als die Umwandlung in Mikrowellen? (da nur ein Konvertierungsprozess verwendet wird)

Nach den von mir durchgeführten Berechnungen scheinen die Hauptprobleme darin zu bestehen, die Energie vom sonnennahen Satelliten zum erdnahen Satelliten zu übertragen und eine konstante Verbindung zwischen den beiden sicherzustellen. Ich dachte, eine optische Verbindung (die den sonnennahen Satelliten als Linse verwendet, um das Sonnenlicht auf den erdumkreisenden Satelliten zu fokussieren) könnte verwendet werden, aber ich weiß nicht, wie praktisch das ist, da Laserkommunikation für den Weltraum immer noch wurden nicht gebaut. Da der Sonnenfluss jedoch viel höher ist, könnte das anfängliche Netzwerk mit CubeSats aufgebaut werden, die von der ISS mit dem Nanoracks-System gestartet werden.

Wurde dies von anderen Personen berücksichtigt? Und wenn es verschrottet wurde, warum wurde es verschrottet?

Es gibt einen Spiegel auf dem Mond, auf den wir einen Laserstrahl werfen können (um die Entfernung zu messen). Ich hatte mich immer gefragt, wie sie den Laserstrahl aus so großer Entfernung so genau ausrichten konnten, dass er auf einen kleinen Spiegel traf. Dann hörte ich, dass sich der „schmale Strahl“ des Laserlichts auf etwa die Größe eines Fußballfelds ausbreitet, bis er den Mond erreicht. Und deshalb vermute ich, dass es unpraktisch sein wird, Energie über große Entfernungen zu strahlen (selbst die Entfernung zwischen Erde und Mond wäre problematisch – interplanetarisch, kommt nicht in Frage). Zumindest bis wir Laser mit engeren Strahlen haben.
Oh, und... "..2 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt..." ..so ziemlich jedes Material, das wir herstellen könnten, wäre geschmolzen.
Könnte eine Linse verwendet werden, um der Strahldivergenz entgegenzuwirken?
Ich muss ehrlich sagen, dass ich es nicht genau weiß. Ich vermute , dass es Faktoren in der Physik (oder zumindest der Optik) gibt, die es nicht möglich machen würden. (Dies ist ein Thema, über das ich lange nachgedacht habe, für das ich jedoch nicht ausgebildet bin und zu dem ich keinen „Experteninput“ hatte.)
Ein Satellit in einer näheren Umlaufbahn als die Erde ist nur für einen Bruchteil seines Jahres in der Lage, Energie zu übertragen, er verbringt die meiste Zeit auf der anderen Seite der Sonne, um kontinuierlich die benötigte Energie zu senden mehrere Satelliten. Wenn der Satellit die Erde umkreist, braucht man nur einen.
Dies ist das Konzept der weltraumgestützten Solarenergie (SBSP) .
Nun, die Sonne ist schon da drüben und schießt ihre Energie auf uns zu. Unser winziger kleiner Satellit um ihn herum oder um uns herum konnte keinen großen Unterschied machen. Weltraum-Solarenergie zur Erde ist ein bisschen ..., nun, das basiert vielleicht auf Meinungen, also überspringe ich das.
@ user11377: Nur theoretisch. Das Problem ist die Präzision: Der "Mondlaser" breitet sich nicht auf die Größe eines Fußballfeldes aus, weil er so konstruiert wurde. Dies liegt daran, dass das Objektiv, obwohl es so präzise wie möglich ist, immer noch ungenau genug ist, um eine solche Streuung zu verursachen.
@GdD Sie könnten den Satelliten bei Sonne-Erde L1 platzieren und er würde mehr oder weniger am selben Ort bleiben, allerdings bei einem Sonnenfluss von nur ~ 1,02x dem auf / in der Nähe der Erde.
Sicher, @costrom, es geht jedoch nicht wirklich auf die Frage ein, die viel näher ist.

Antworten (4)

Das sind eigentlich zwei Fragen:

  1. Wo ist der beste Ort, um Solarenergie auf der Linie zwischen Sonne und Erde zu sammeln?

  2. Was ist die beste Wellenlänge für die Energieübertragung zur Erde?

Für Nr. 2 gehen Mikrowellen durch Wolken. Sichtbares Licht nicht. Aus diesem Grund werden Sie fast immer Mikrowellenübertragung in Weltraum-Solarenergiekonzepten sehen. Erinnern Sie sich daran, dass der Grund dafür, Solarenergie für den Weltraum überhaupt in Betracht zu ziehen, was seltsam erscheint, wenn man bedenkt, dass unsere Atmosphäre für den größten Teil der Sonnenenergie transparent ist, darin besteht, dass Sie nachts keine Sonnenenergie erhalten und diese durch Wolken dramatisch reduziert werden kann . Wenn Sie sichtbares Licht verwenden, um die Energie zu übertragen, dann haben Sie den zweiten Vorteil verloren (sowie einen Teil des ersten Vorteils in bewölkten Nächten).

Es gibt noch andere Vorteile von Mikrowellen, wie die Tatsache, dass die Bodenkollektoren viel kostengünstiger sein können (Drähte und Dioden im Vergleich zu Solarmodulen) und die relativ lange Wellenlänge eine größtenteils transparente Drahtgitterantenne für den Bodenkollektor ermöglicht, wodurch Feldfrüchte darunter gelassen werden können der Kollektor oder sogar Sonnenkollektoren.

Für Nr. 1: Wenn Sie mehr konzentrierte Sonnenenergie auf Ihrem Kollektor haben möchten, können Sie dies mit Spiegeln tun, ohne näher an die Sonne herankommen zu müssen. Es gibt tatsächlich Konzepte, die das tun, da Photovoltaikzellen bei höherer Sonneneinstrahlung effizienter sein können und Solarthermiesysteme eine hohe Konzentration für einen angemessenen Wirkungsgrad erfordern.

Jetzt bleibt auf beiden Seiten die Beugungsgrenze, wie groß die Reflektoren sein müssen, um die Sonnenenergie auf der Eingangsseite zu sammeln und die Energie auf der Ausgangsseite auf einen Kollektor am Boden zu fokussieren. Ja, Ihr Konzentrator/Kollektor kann kleiner werden, wenn Sie sich der Sonne nähern, aber jetzt muss Ihre Sendeantenne größer werden, um sich auf den gleich großen Kollektor auf der Erde konzentrieren zu können. Wenn Sie Licht in Mikrowellen umwandeln, möchten Sie näher an der Erde sein, da die Mikrowellenantennen aufgrund der längeren Wellenlänge bei derselben Winkelgrenze größer sein müssen als für Licht. Wenn Sie Licht in Licht umwandeln (Sie müssen also überhaupt keine Energieumwandlung durchführen - verwenden Sie einfach Spiegel), dann ist es eine Wäsche, also platzieren Sie es in der Nähe der Erde, da es einfacher ist, dorthin zu gelangen.

Das Beugungsproblem hat damit zu tun, dass die Sonne groß ist und keine Punktquelle. Aber wenn ein kilometergroßer Reflektor in die Nähe gebracht wird, dann ist der Reflektor aus einer bescheidenen Entfernung eine Punktquelle, richtig? Ein Sekundärreflektor könnte also dieses Licht auf einen beliebigen Punkt fokussieren.

Dies ist tatsächlich ein ziemlich beliebtes Konzept in Science Fiction, obwohl sie der Sonne normalerweise nicht ganz so nahe kommen. Normalerweise ignorieren sie bequemerweise den Elefanten im Raum, um die besagte Kraft zurück zur Erde zu bringen. Sie haben Recht, die einzige Möglichkeit, dies vernünftig zu tun, besteht darin, es über eine Art Laser übertragen zu lassen. Es ist theoretisch möglich, einen sehr fokussierten Laser zu haben, aber er müsste sehr groß sein, viel größer als alles, was wir jetzt haben. Ich habe gesehen, dass für eine Kommunikationsverbindung vom Mars zur Erde, die zum Beispiel ungefähr die gleiche Entfernung wie Merkur zur Erde hat, die Größe des Laserstrahls in der Größenordnung einer US-Region liegen würde, wie der Südwestregion oder vielleicht die Größe der europäischen Länder (Die größeren).

Ich vermute dennoch, dass dies eventuell in Betracht gezogen werden könnte, aber kurzfristig nicht wirklich praktikabel ist. Aus der Erdumlaufbahn könnte eine Mikrowellenübertragung möglich sein, weshalb dieses Konzept viel mehr diskutiert wird als ein System in unmittelbarer Nähe der Sonne.

Ich dachte, Strahldivergenz ist nur dann ein Problem, wenn der Strahl sehr weit vom Fokus entfernt ist. Was ist, wenn der Fokus in der Nähe der Erde platziert wird? Zugegeben, dafür müsste das Objektiv sehr genau hergestellt werden, was möglicherweise nicht möglich ist. Weiß jemand, was die engste Toleranz für die Linsenkrümmung ist?
Wenn Sie sich Laser ansehen, gibt es tatsächlich Linsen oder zumindest das Gleiche. Eine Linse kann den Strahl nicht besser korrigieren, als es eine Vergrößerung der Laserkammer tun würde, es ist ein Effekt, der mit den Beugungsgrenzen zusammenhängt.
Ein vernünftigerer Ansatz besteht darin, eine riesige Flotte von Satelliten mit Spiegeln zu verwenden, die Segmente einer Spiegellinse erzeugen würden, die das Sonnenlicht in der Nähe der Erde fokussieren, wo ein anderer Satz von Satelliten es auf die Erde reflektieren/strahlen würde. Ein Problem: Die Spiegel wären recht effiziente und eher unerwünschte Sonnensegel; Die Satelliten in einer festen Umlaufbahn zu halten, wäre etwas schwierig.

Geld

...das ist der Grund. Das und die Tatsache, dass Sie mehr Energie aufwenden müssen, um dieses Zeug in die Umlaufbahn zu bringen, als Sie jemals davon zurückbekommen werden.

1 kg in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, kostet zwischen 3.800 und 13.000 US- Dollar .

1 kg in eine geostationäre Transferbahn zu bringen, kostet zwischen 12.500 und 25.000 US-Dollar .

Es wird viel teurer sein, irgendetwas in eine nahe Umlaufbahn um die Sonne zu bringen .

Die Energie, die benötigt wird, um diesen angeblichen Energiesammler in diese Umlaufbahn zu bringen, wird viel mehr sein, als er jemals sammeln kann.

Und dann – wie schon gesagt wurde – können wir die gesammelte Energie nicht zu uns zurückbekommen, denn egal, welche Art von Strahlung Sie verwenden, sie breitet sich aus und wird sehr schwach.

Am Ende ist es viel effizienter, das ganze Geld einfach zu verwenden, um die Energiekollektoren hier unten auf der Erde zu bauen.

Das ist eine Antwort auf eine andere Frage.
Eigentlich beginnt die Frage mit "Ich denke schon seit geraumer Zeit über Weltraum-Solarenergie nach, wie sie rentabler sein könnte als bodengestützte Solarenergie". Kurz gesagt: Es kann nicht, weil a) es eine Menge Geld kostet, nur um das Zeug in die Umlaufbahn zu bringen, b) die Energie, die Sie abgeben müssen, nicht an Sie zurückgegeben wird, und c) Sie die Energie nicht zur Erde bringen können , sodass Sie keine Einnahmen daraus erzielen können. Die gesamte Prämisse der Frage – dass orbitale Energiekollektoren rentabler wären – ist also völlig strittig, weil sie das in einer Lebenszyklusperspektive nicht sein können.
a) Zu aktuellen Preisen, ja. Diese Studien haben immer als Teil ihrer Berechnung, bei welchem ​​$/kg LEO sie die Gewinnschwelle erreichen könnten. Wiederverwendbare Trägerraketen bieten die Aussicht auf viel niedrigere Startkosten. b) Stimmt nicht. Die investierte Energie kann zurückgegeben werden. Es geht um das Geld. c) Stimmt nicht. Die Energieübertragung ist der eine Teil, der mit vorhandener Technologie vollständig machbar ist. Deine Aussagen sind viel zu pauschal. Ich persönlich habe ernsthafte Zweifel, dass Weltraum-Solarenergie jemals profitabel werden wird, aber Ihre absoluten Aussagen sind einfach nicht haltbar.
Es tut mir leid, aber Sie haben nicht mit mir zu kämpfen ... es ist die Physik, die Sie versuchen müssen, sich hier als falsch zu erweisen. Physik und Wirtschaftswissenschaften. Bei den gegenwärtigen Preisen für das Heben von Sachen in den Weltraum und mit der gegenwärtigen Energieübertragungstechnologie ist im Weltraum erzeugter Strom nur eine Geldverschwendung. Wenn Sie es stattdessen auf der Erde bauen, können Sie für das gleiche Geld so viel mehr Energiekollektoren bauen, dass es völlig sinnlos ist, sie in den Weltraum zu heben. Ein erhöhter Zustrom gleicht nicht die Verluste aus, die Sie sowohl an Geld als auch an Energie auf sich nehmen, um sie dorthin zu bringen.
Sachen in die Sonnenumlaufbahn zu bringen ist nur ein wenig teurer als es in GEO zu bringen, und sobald Sie die Umlaufbahn elliptisch genug haben, um sich der Venus- oder Marsumlaufbahn zu nähern (was nicht viel teurer ist), können Sie anfangen, die Schwerkraft zu verwenden das vollste und erhalten ziemlich willkürliche Umlaufbahnen für einen winzigen Bruchteil der Kosten. Trotzdem glaube ich, dass der Energiekollektor in der Lage sein sollte, als Sonnensegel zu dienen, so dass die tatsächlichen Startkosten bis zu einer Umlaufbahn von 1000 km reichen würden, wo er sich entfalten und "kostenlos" weiterfliegen kann.
seufz Lassen Sie mich noch einmal darauf hinweisen, was die ursprüngliche Frage ist: "Wie [Weltraum-Solarenergie] rentabler sein könnte als bodengestützte Solarenergie". Es kann nicht. Sicher, Sie können mehr Strom bekommen, um den Sammler zu erreichen, und wenn Sie das ernten könnten, bedeutet das mehr Einnahmen pro Einheit. Allerdings (!) ... das wird durch die immens gestiegenen Kosten pro Einheit, um es in den Weltraum zu bringen, und die Übertragungsverluste vollständig zunichte gemacht. Um eine Analogie zu machen: Es spielt keine Rolle, ob Sie in Liberia eine Dose Coca Cola umsonst bekommen könnten. Die Kosten für den Versand nach Liberia oder die Cola für Sie werden einen solchen Gewinn zunichte machen.
Ich bin nicht überzeugt, dass die nutzbare Energie die Energie übersteigt, die zum Bau und Betrieb der erdumkreisenden Versionen benötigt wird - ich würde gerne einige Zahlen sehen. Könnte nah sein. Aber ich stimme zu, dass Kosten potenzielle Rentabilität zunichte machen. Die Startkosten werden stärker sinken, aber auch die Kosten für erdbasierte Solar- und Energiespeicherung. Schade, dass die gestrahlten Energieelemente so viel an Ineffizienz verlieren – oder wir könnten davon sprechen, Strom von Solarfarmen in den sonnigen australischen Wüsten rauf, quer und runter zu strahlen, um die europäische oder nordamerikanische Industrie während ihrer Nacht mit Strom zu versorgen. Je weniger Zeug im Raum, desto besser die Rentabilität.

Ein Aspekt, der noch nicht erwähnt wurde, ist, dass Solarmodule meiner Meinung nach nicht zu nahe an der Sonne funktionieren. Solar Probe Plus , bei 8,5 Sonnenradien oder 6 Millionen km am nächsten, wird tatsächlich seine Solarpanels in den Schatten des Raumfahrzeugs zurückfalten, während es sich in der Nähe der Sonne befindet. Außerdem gehören optisch konzentrierende Photovoltaikzellen heute zu den effizientesten, und ich denke, dass Überhitzung eine Grenze darstellt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sonnenkollektoren arbeiten tatsächlich in der Nähe der Sonne; Der Grund, warum Parker Solar Probe (sein neuer Name) seinen Rücken in seinen Schatten faltet, wenn er sich in der Nähe der Sonne befindet, besteht darin, sie vor Verdampfung zu bewahren.
Warum werden Sonnenkollektoren in Weltraum-Solarstromkonzepten nicht näher an der Sonne platziert?
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