Uzay Tabanlı Güneş Enerjisi Santralleri Nasıl Çalışır ve Faydaları Nelerdir?

Uzay tabanlı güneş enerjisi, uzayda güneş enerjisini toplamayı ve bunu dünyaya aktarmayı içinde barındırmaktadır. Uzay tabanlı güneş enerjisi sisteminde güneş panelleriyle donatılmış devasa bir güneş enerjisi uydusu yer almaktadır. Bu paneller elektrik üretir, sonrasında bu elektrik yüksek frekanslı radyo dalgaları aracılığıyla kablosuz bir şekilde dünyaya aktarılır. Bu radyo dalgalarını elektriğe çevirmek için Rectenna adı verilen bir toprak anteni kullanılır. Daha sonra bu elektrik, güç dağıtım şebekesine iletilir.

Uzay tabanlı güneş enerjisi yeni ortaya çıkmış bir fikir değildir; ancak güncel teknolojik gelişmeler, bu olasılığı giderek daha da ulaşılabilir hale getirmektedir.

Uzay Tabanlı Güneş Santrallerine Neden İhtiyacımız Var?

Dünya'daki hızlı nüfus artışı, çok sayıda ve büyük sorunlara yol açmaktadır. En büyük sorunlardan biri, yıldan yıla artan enerji ihtiyacıdır. 2011 yılında Kanada'da yapılan araştırmaya göre; 2030-2040 yılları arasında 2010'a göre 2 kat, 2090-2100 yılları arasında ise 2010'a göre 4 kat enerji ihtiyacı ortaya çıkacağı öngörülmektedir.

2011 yılında yaklaşık olarak %82'sini fosil yakıtların oluşturduğu 13.1 milyon ton petrole eş değer enerji kullanılmış ve bu, atmosferdeki karbondioksit oranını arttırmıştır. Bu durumlar göze alındığında yeni enerji kaynaklarının araştırılması gerekli olduğu görülmektedir.

Küresel enerji ihtiyacını karşılamak ve karbondioksit salınımını bitirmek amacıyla ortaya çıkan Uzay Tabanlı Güneş Enerjisi, tam bu noktada, gelecek için çok uygun bir kaynak olarak değerlendirilmektedir.

İlk olarak 1968 yılında Dr. Peter Glaser tarafından ortaya atılan bu sistem, Güneş ile elde edilen elektrik enerjisini mikrodalgaya dönüştürüp, bu mikrodalgayı faz dizili anten elemanlarını kullanarak yeryüzündeki alıcı antene ulaştırıp tekrardan elektrik enerjisine dönüştürmeyi amaçlamaktadır. Bu bakımdan, Dyson Küresi'ne yönelik fikirlerin de temelinde yattığı söylenebilir.

Uzay Tabanlı Güneş Santrallerine Yönelik Çalışmalar

1970'lerin başlarında Gerard O'Neill yüksek fırlatma maliyetleri sorununa dikkat çekerek SPS'leri (İng: "Solar Power Satellite") Ay'dan gelen malzemelerle, yörüngede inşa etmeyi önerdi. Ay'dan fırlatma maliyetlerinin, düşük yer çekimi ve atmosferik sürükleme olmaması nedeniyle Dünya'dan çok daha düşük olabileceğini öne sürdü.

30 Nisan 1979'da NASA, NAS9-15560 kapsamında General Dynamics Convair bölümü tarafından hazırlanan "Uzayda İnşaat İçin Ay Kaynaklarının Kullanımı" (İng: "Lunar Resources Utilization for Space Construction") başlıklı raporda, Ay kaynaklarının kullanımının Dünya temelli malzemelerden daha ucuz olacağı sonucuna vardı.

1995-1997 yılları arasında NASA'nın yürüttüğü Fresh Look Study sonucunda SunTower ve SolarDisc gibi yenilikçi tasarımlar ortaya çıktı.

Space News

2000 yılında ABD Ulusal Araştırma Konseyi, bu tür bir enerji kaynağının henüz ekonomik olarak yeterli seviyede olmadığını; fakat teorik olarak bu şekilde enerji üretilebilmesinin mümkün olabileceğini açıkladı. 2002'de Avrupa Uzay Ajansı, Sail Tower tasarımını geliştirmiştir. İlk defa ticari amaçla kullanımı ise 2009 yılında ABD'de Pasifik Gaz ve Elektrik Şirketi ile Solaren Şirketi arasında olmuştur.

NASA 2011-2012 yılları arasında yapılan Innovative Advanced Concept Program kapsamında uzay güneş enerjisi sistemlerinin teknik ve ekonomik olarak uygulanabilirliğini ve gelecek çalışmalara çerçeve oluşturmak için Solar Power Satellite by means of Arbitrarily Large Array (SPS-ALPHA) tasarımını Artemis Innovation Management Solutions LLC firması tarafından geliştirilmiştir.

BBC

Günümüzde Çin ve Japonya, ağırlıklı ve aktif olarak bu alanda çalışmalar yapmaktadır. Çin Akademisi Uzay Teknolojileri bölümü, 2015'te yapılan Uluslararası Uzay Gelişim Konferansı'nda 2050 yılına kadar 1 GW (Gigawatt) için ticari yol haritaları, tasarım videoları ve tanımları hakkında bilgi vermiştir. 2014 yılına geldiğimizde Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Enstitüsü (IETT) Spektrum dergisinde Dr. Susumu Sasaki tarafından yayınlanan Uzay Her Zaman Güneşlidir adlı makalede şöyle diyordu:

Uzun yıllardır yapılan çalışmalar bilimkurgu içeriklidir, ancak uzay tabanlı Güneş enerjisi gerçek olabilir.

12 Mart 2015'te Japon Uzay Araştırma Ajansı, kablosuz olarak 1.8 kilovatı 50 metre ötede bir alıcıya, elektriği mikrodalgaya çevirerek ilettiklerini daha sonra da tekrar elektriğe çevirdiklerini duyurdu. Bundan kısa bir süre sonra Mitsubishi, 10 kilowatt enerjiyi 500 metre uzaklığa ilettiklerini açıkladı.

Spectrum IEEE

Birleşik Krallık'tan Bir Örnek

2022 yılında, İngiltere Hükümeti'nin uzayda güneş enerjili bir elektrik santrali inşa edilmesine yönelik 16 milyar Sterlin tutarında bir teklifi değerlendirdiği bildirildi. Uzay tabanlı güneş enerjisi, Birleşik Krallık hükümetinin Net Zero Innovation Portfolio (hükümetin iklim değişikliğine olan katkısını sonlandırmak için yaptığı çalışmalara ayırdığı fon) kapsamında ön plana çıkardığı teknolojiler arasında yer almaktadır. Hükümetin inşa etmek için 16 milyar sterlin ayırmayı değerlendirdiği bu enerji santrali, diğer çalışmalarla birlikte İngiltere'nin 2050 yılına kadar net sıfır emisyonu başarmasını sağlamak için olası bir çözüm olarak tanımlanmıştır.

Frazer-Nash Danışmanlık'ın son raporundan yola çıkılarak, Birleşik Krallık'ta 17 milyar sterlinlik bir uzay tabanlı güneş enerjisi geliştirmesi uygulanabilir bir kavram olarak görülmektedir. Bu projenin önce küçük denemelerle başlaması ve bunların 2040 yılında işleyen bir güneş enerjisi santralinin kurulmasının önünü açması beklenmektedir.

Güneş enerjisi uydusunun çapı 1.7 km, ağırlığı ise 2000 ton civarında olacaktır. Toprak anteni ise kabaca 6.7 km'ye 13 km olarak genişçe bir yer kaplayacaktır. Birleşik Krallık boyunca arazi kullanımı göz önünde bulundurulduğunda bu antenin açık denizde konumlandırılması daha muhtemel görünmektedir.

Bu uydu Birleşik Krallık'a 2GW güç sağlayabilecektir. Bu azımsanmayacak miktarda bir güç olsa da, Birleşik Krallık'ın yaklaşık 76GW olan üretim kapasitesine küçük bir katkı olacaktır.

Başlangıçtaki aşırı yüksek maliyeti ve yapılan yatırımın getirisinin yavaş olması nedeniyle projenin özel şirketlerin yapacağı yatırımın yanında devletin önemli kaynaklarına da ihtiyacı olacaktır. Ancak teknoloji geliştikçe, uzay fırlatmalarının ve üretimin maliyeti istikrarlı bir şekilde düşecektir. Bunun yanında projenin kapsamı da seri üretime olanak sağlaması da maliyeti biraz da olsa düşürecektir.

Uzay Tabanlı Güneş Santrallerinin Avantajları

Çok sayıda avantajı bulunan bu sistemin en göze çarpan özelliği, Uzay Tabanlı Güneş Enerjisi sistemlerinin atmosfer dışına konumlanacak olmasından ötürü Güneş ışınlarıyla arasında bir engele takılmadan bu enerjiyi toplayabilecek olmasıdır. Modern Güneş panellerine düşen Güneş ışınları; atmosferik gazlar, bulutlar ve diğer hava olaylarından geçerek bu panellere düşmektedir ve bu nedenle yol boyunca büyük kayıplara uğramaktadır.

Wikimedia Commons

Uzay Tabanlı Güneş Enerjisi sistemlerinin bir diğer avantajı ise, neredeyse kesinti olmadan enerji üretimi yapabilecek olmasıdır. Yeryüzündeki paneller, Dünya'nın kendi etrafındaki dönüşünden kaynaklı gece-gündüz döngüleri dolayısıyla günde en fazla 12-14 saat enerji üretimi sağlayabilir. Ayrıca uzayda kütleçekimi olmayacağı için malzeme seçiminde de daha özgür davranmak mümkün olabilecektir.

Jeostatik yörüngede bulanan bu sistem, yeryüzünde ihtiyaç duyulan enerji altyapısını azaltabilir, güç dağıtım merkezlerinin yakınına yerleştirilerek yeryüzündeki israflı enerji transferini ortadan kaldırabilir.

Uzay Tabanlı Güneş Enerjisi Şu Anda Neden Kullanılmıyor?

Böyle avantajlara sahip olan bu sistemi maalesef henüz aktif olarak gerçekleştirilmemesinin bazı nedenleri var. Bu nedenlerin başında, maliyet gelmektedir: Günümüzde bu sistemlere yönelik pratik uygulamalar bulmak mümkün olsa da bu tür bir teknolojinin maliyetlerinin şu anda çok yüksek olması, bu teknolojilere yatırım yapılma ihtimalini azaltmaktadır.

Maliyeti artıran nedenlere de bakalım: İlk başta güneş panellerinin ağırlığı bir zorluk olarak görüldüyse de, aşırı hafif güneş pillerinin geliştirilmesiyle bu zorluğun üstesinden gelinmiştir. Başta hafifletilmiş güneş pilleri, kablosuz güç aktarımı ve uzay robotiği gibi önemli teknolojilerdeki gelişmeler sayesinde uzay tabanlı güneş enerjisi teknik olarak uygulanabilir hâle gelmiştir.

Yörüngedeki robotlar tarafından çok sayıda güneş modülünün bir araya getirilmesiyle oluşan uzay tabanlı güneş enerjisi santrali, modüler bir tasarıma sahiptir. Bütün bu parçaları uzaya taşımak zor ve masraflıdır. Daha da önemlisi, yalnızca bir uzay tabanlı güneş enerjisi santralini bir araya getirmek için bile çok fazla uzay mekiği fırlatmak gerekmektedir. Bu santrallerin uzun vadede karbon salınımını azaltacak şekilde tasarlanmış olmasına rağmen uzay mekiği fırlatmak, maliyetinin yanı sıra kayda değer miktarda karbon salınımına neden olmaktadır. Uzay mekikleri henüz tamamen yeniden kullanılabilir değildir; ancak SpaceX gibi şirketler, bu durumu değiştirmek için çalışmaktadır. Fırlatma sistemlerinin tekrar kullanılabilir hale gelmesi uzay tabanlı güneş enerjisinin toplam maliyetini önemli ölçüde azaltacaktır. 

Wikimedia Commons

Uzay tabanlı güneş enerjisi santrali başarıyla inşa edilse dahi, işleyiş sırasında ortaya çıkacak uygulamaya dayalı sıkıntılar da bulunmaktadır. Örneğin güneş panelleri, uzay çöpleri nedeniyle hasar görebilirler. Buna ek olarak, uzayda bulunan paneller dünyanın atmosferi tarafından korunmadığı için daha yoğun bir güneş radyasyonuna maruz kalacaklardır. Böylece dünyada olduğundan daha hızlı yıpranacaklar; bu da üretebildikleri enerjinin azalmasına neden olacaktır.

Özellikle de yörüngedeki enerji üretim ve dağıtım sistemlerinin tamir ve bakım maliyetlerinin de çok yüksek olmasından ötürü (ve bunlar üzerinde çalışmak zorunda kalacak astronotların yüksek derece de radyasyona maruz kalması), bu yatırımları riskli hale getirmektedir. Buna ek olarak, insan faktörünü elemek adına üretilecek telerobotlar, maliyeti bir hayli arttıracaktır.

Kurulumu uzayda olup diğer enerji kaynaklarından daha çok kullanılabilmesi için enerji üretimi ve kablosuz enerji iletimi gibi teknolojilerin henüz yeterli seviyede olmaması da bu sorunların başlarından gelmektedir. Şu anda var olan teknolojiler, atmosferik kayıplardakinden bile büyük enerji kaybına yol açmaktadır. Doğru Akım (DC) ile radyo frekansı (RF) arasındaki yüksek verimli enerji dönüşümü için çalışmalar hala sürmektedir.

Sonuç

2050 yılına kadar küresel enerji talebinin yaklaşık %50 artacağı öngörülmektedir. Uzay tabanlı güneş enerjisinin 2050 yılına kadar net sıfıra ulaşılmasına yardımcı olup olmayacağı belirsizliğini korumaktayken çeşitli ve esnek şekilde enerji depolama, hidrojen ve yenilenebilir enerji sistemlerindeki gelişmeler gibi diğer teknolojiler daha iyi anlaşılabilir ve daha kolay uygulanabilir durumdadır. 

Zorluklarına rağmen, uzay tabanlı güneş enerjisi heyecan verici araştırma ve geliştirme fırsatları için bir öncü rolünü üstlenmektedir. Gelecekte küresel enerjinin sağlanmasında teknolojinin büyük bir rol oynaması muhtemeldir. Ayrıca uzay tabanlı güneş enerjisi dünyada yükselen enerji talebini karşılamaya ve küresel ısınmayı durdurmaya yardım etmek için önemli bir unsur olabilir.