Çin Uzayda Güneş Enerjisi İstasyonu Kuracak

En temiz yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi küresel ısınmayı önlemek için gelecek vaat ediyor; ama güneş her gün batıyor ve güneş ışığından üretilen elektriği pilde uzun süre depolamak zor oluyor. Peki uzaya güneş enerjisi uyduları gönderip dünyaya 24 saat kesintisiz enerji ışınlamak mümkün mü? Nitekim Çin ve Japonya uzayda güneş enerjisi istasyonu kurmayı planlıyor. Biz de lazer ışınları ve mikrodalga ile dünyaya kablosuz enerji transferi yapma teknolojilerini görelim.

Neden güneş enerjisi istasyonu?

Elektrikli araçlar küresel ısınmayı önler mi, güneş enerjili otoyollar, solar termal yakıt ve otomobil şarj eden akıllı yollar yazılarında güneş enerjisinin en temiz yenilenebilir enerji kaynağı olduğunu belirttim. Oysa güneş enerjisinin önünde önemli teknik engeller var: Güneş her gün batıyor, kapalı havalarda güneş enerjisi üretimi duruyor ya da azalıyor, büyük miktarda güneş enerjisini uzun süreli depolamak zor oluyor ve güneş enerjisi santrali kurmak da çok yer kaplıyor.

Bütün bu sebeplerle ve özellikle de güneş panellerinin ışığın yalnızca yüzde 12-20’sini elektriğe çevirebildiğini dikkate aldığımızda, 2040’ta Dünya enerji ihtiyacının en fazla yüzde 30’unu güneş enerjisiyle karşılayabileceğimizi görüyoruz. Üstelik nüfus artışı ve teknolojinin gelişmesine bağlı olarak global enerji talebi de hızla artıyor; ama güneş enerjisi üretimini bu kadar hızlı artıramıyoruz.

Sonuçta meydan doğal gaza kalıyor. Oysa termik santrallerde yakılan kömür kadar çevreyi kirletmese de doğal gazın ana bileşeni metan, karbondioksitten 28 kat etkili bir sera gazı. Kısacası güneş enerjisi yerine fosil yakıt kullanmaya devam ettiğimiz sürece küresel ısınmanın yol açtığı yıkıcı iklim değişikliğini önlemek mümkün olmayacak.

Öyleyse uzaydan Dünya’ya 24 saat güneş enerjisi ışınlayarak temiz enerji üretimini artırabilir miyiz? Çin ve Japonya uzaya güneş enerjisi uyduları göndererek yeryüzüne kablosuz güneş enerjisi transferi yapmak istiyor. Bunu da ya alçakta devinen lazer ışınlı uydularla veya 36 bin km yüksekte dönen mikrodalga uydularıyla yapacaklar. Lazer ve mikrodalgayla enerji ışınlamanın yollarını görelim.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Güneş enerjisi yaygınlaşmalı

Gündüz vakti her saat Dünya’ya 1 yıllık enerji talebimiz kadar güneş enerjisi ulaşıyor. Ancak, yukarıda sıraladığım sebepler ve atmosferin gün ışığını dağıtarak zayıflatması nedeniyle biz bunun pek azını ticari olarak kullanabiliyoruz. Güneş enerjisinin yüzde 30’unun daha yere ulaşmadan uzaya yansıması nedeniyle temiz enerjide baştan yaya kalıyoruz.

Yörüngede güneş enerjisi istasyonu kurmak ise 7/24 kesintisiz güneş enerjisi sunarak bunu çözecek. Sonuçta güneş enerjisine en çok kuzey enlemlerinde ihtiyaç var. Özellikle de kış mevsiminin soğuk olduğu ve uzun sürdüğü ülkeler güneş enerjisinden yararlanabilirler. Nitekim Kanada, ABD, Almanya ve Rusya gibi ülkeler dünyanın kalanından daha çok doğal gaz ile kömür tüketiyor.

Oysa güneş enerjisi dünya talebinin sadece yüzde 30’unu karşılayacak olsa bile, kuzey ülkelerini gün ışığından ürettiğimiz elektrikle destekleyerek küresel fosil yakıt kullanımını azaltabiliriz. Dünkü Starlink yazısında, internet altyapı maliyetlerinin artması yüzünden, gezegene küresel 5G internet sunmanın en kolay yolunun uzaydan internet hizmeti sağlamak olduğunu yazdım.

Uzayda güneş enerjisi istasyonu kurmak isteyen Çin ve Japonya için de aynı mantık geçerli: Sert iklim şartları yüzünden altyapı yatırımlarının pahalı olduğu kuzey ülkeleri ile Tokyo gibi adım atmaya yer olmayan kalabalık şehirlere ucuz güneş enerjisi sunmanın en iyi yolu uzaydan kesintisiz enerji ışınlamaktır. Peki bunu lazer ışını ve mikrodalga uydularıyla nasıl yapabiliriz?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Yelkenli güneş enerjisi istasyonu

Uzaydan enerji ışınlamanın mantığı basittir. Dünya yörüngesine Planetary Society şirketinin yaptığı gibi ışık yelkenleri gönderirsiniz. Ancak, bunlar uzay araçlarını ışık gücüyle itmek yerine güneş radyasyonunu yakalayıp elektriğe ve ardından lazer ışını veya mikrodalgaya çevirerek Dünya’ya ışınlar. Siz de yerde kurduğunuz güneş tarlaları ile ışınları alıp elektriğe çevirirsiniz.

Güneş enerjisi istasyonu kurmanın en büyük avantajı, sadece Güneş’in saçtığı ışığı değil, ısıyı ve diğer radyasyonu da alıp kablosuz enerji transferi ile Dünya’ya aktarmaktır. Böylece güneş enerjisinin yüzde 30’nu oluşturan ve atmosferden uzaya yansıyarak kaybolan radyasyonu da enerji üretiminde kullanmış olursunuz. Öyle ki Gobi çölünde bile güneş tarlası kurabilir ve uzaydan gelen enerji sayesinde, bu yer istasyonunda güneş paneli kullanmaktan çok daha fazla enerji üretebilirsiniz.

Önce Asimov yazdı

Uzayda güneş istasyonu kurmak yeni bir fikir değil. Ünlü popüler bilim, fantezi ve bilimkurgu yazarı Asimov, 1941’de yazdığı Reason adlı kısa öyküde güneş enerjisi uydularından söz etti. Bu uydular güneş ışığını aynalı kolektörlerle toplayarak odaklıyor ve ardından mikrodalgaya çevirerek Dünya’ya ışınlıyordu ki Tesla bunu 20. yüzyılın başında öngörerek Wardenclyffe Kulesi ile gerçekleştirmek istemişti. Ancak, o yıllarda henüz uzaya çıkmadığımız için proje yarım kaldı.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Soğuk savaşta güneş enerjisi

Soğuk Savaş ve uzay yarışının doruk noktasına ulaştığı 1960’lı yıllarda Amerikalı mühendis Peter Glaser, Asimov’un hayal ettiği mikrodalga güneş enerjisi uydusunu tasarladı ve 1973’te patentini aldı. Ancak, yörüngeye Dünya talebini karşılayacak kadar büyük bir güneş enerjisi istasyonu gönderip işletmek, yerde güneş enerjisi santrali kurmaktan çok pahalıydı (1 gigawatt saatlik üretim için).

Böylece insanlar 70’li yıllar boyunca kablosuz enerji transferini konuştular ama hiçbir şey yapmadılar. Ancak, aradan geçen yıllarda hem yarı iletken teknolojisi gelişti, hem de ucuz ve hafif uydular yapmayı öğrendik. Üstelik SpaceX yeniden kullanılabilen roketlerle fırlatma maliyetlerini büyük ölçüde azalttı. Böylece uzaydan enerji ışınlamak ciddi bir projeye dönüştü.

İlgili yazı: Elon Musk Starlink Uyduları ile Mars’a Nasıl Gidecek?

 

Ne kadar ciddi?

Artık uzaya dev güneş enerjisi uyduları göndermemize gerek yok. Örneğin Caltech ekipleri kağıt gibi katlanabilen, ama iz yapıp kırılmayan süper ince güneş yelkenleri geliştiriyor. Bunların üzerine yerleştirilen ve güneş panellerinden 50 ila 100 kat verimli olan (!) yeni paneller ise sadece ışığı değil, ısı dahil bütün radyasyonu kullanarak Dünya’ya enerji ışınlayacak. Peki güneş enerjisi verimliliğini 100 kat artırırsak doğal gaza gerek kalır mı? Bu yazıda bunun mümkün olup olmadığını da göreceğiz.

Caltech’in çözümü katlanabilen güneş yelkenlerinden esnek bir iskelet, bunun üzerine akordeon gibi katlanabilen hiper verimli güneş panelleri ve DC elektrik akımını mikrodalgaya dönüştüren çevirgeçler kullanıyor.

Üstelik güneş yelkenlerinin alt yüzünde mini dikenler olacak ve güneş enerjisini dünyaya işte bu mini antenler ışınlayacak. Bu sistem bir kamyona sığacak kadar küçük olacak; ama tam kapasiteli güneş enerjisi istasyonu için bunun gibi onlarca ünite bir arada kullanılacak. Öyleyse uzayda güneş enerjisi istasyonu kurmak istiyorsak güneş panellerinin verimliliğini 50 ila 100 kat artırmamız gerekiyor.

Katlanabilir uydular ve uzay kumaşıyla istasyonun ağırlığını azaltarak fırlatma maliyetleri düşürmek bile ikinci planda kalıyor. Üçüncü olarak bu yeni güneş panellerinin nispeten ucuz olması gerekiyor, ama çok ucuz olmasına gerek yok; çünkü uzaya Starlink gibi 12 bin uydu göndermeye gerek bulunmuyor. 60 adet mikrodalga tabanlı güneş enerjisi uydusu yeterli olacaktır.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Güneş enerjisi istasyonu yüksekliği

Uzaydan enerji ışınlamakla ilgili problemleri çözdüğümüz zaman geriye son bir engel alacak: Bu uydular lazerle mi, yoksa mikrodalgayla mı çalışacak? Lazer ışınları ile konsantre enerji göndermek kolaydır. Bunun için yerde küçük bir alıcı istasyon kullanarak maliyeti azaltabilirsiniz.

Öte yandan, lazer ışınları atmosferde çabuk dağıldığından bu uydular alçak yörüngede dönmeli ve farklı istasyonlara aralıklı olarak enerji ışınlamalı. Sonuçta yere yakın uydular Dünya ile aynı hızda dönmediğinden hep aynı yere bakamaz. İstasyondan istasyona geçerken milletin portakal bahçesini lazerle yakmak istemeyeceğiniz için bu da kesintili enerji transferi yapmak demek.

Ayrıca 60 uydu yerine yüzlerce uydu kullanmanızı gerektiren pahalı bir sistemden söz ediyoruz. İşte bu yüzden, yerden 36 bin km yüksekte yersabit yörüngede dönen mikrodalga uydular daha pratik görünüyor. Mikrodalga yayını ile lazer ışını kadar yoğun enerji gönderemeyiz, ama aynı yere 7/24 enerji ışınlayabiliriz.

Gerçi bunun için yeryüzünde daha büyük güneş tarlaları kurmanız gerekir; ama radyasyon oranı ekvatorda öğle güneşini aşmayacağı için bunların içinde arıcıların kullandığına benzeyen ve elektromanyetik radyasyonu kesen özel Faraday kafesi tulumlarıyla dolaşabilirsiniz. Üstelik bu güneş tarlaları klasik güneş enerjisi santralleri gibi kuşları yakıp öldürmez ve çevreye zarar vermez.

İlgili yazı: Evrenin Şekli Hakkında Kozmolojik Kriz Çıktı

 

Solaren güneş enerjisi istasyonu

Solaren şirketi uzaydan güneş enerjisi sağlamak için Kanada, Çin, AB, Hindistan, Japonya, Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri’nde patent aldı. Aynı zamanda güneş enerjisi istasyonu pazarının, güneş enerjisi sektöründe 2 trilyon dolarlık bir büyüklüğü olacağını ve 250 bin kişiye istihdam yaratacağını öngörüyor.

Dünyanın en büyük havacılık ve uzay şirketi Boeing’in Amerika’da 137 bin kişi çalıştırdığını ve bunların içinde 45 bin mühendis olduğunu düşündüğümüzde uzaydan enerji transferinin potansiyelini görebiliyoruz. Bu bağlamda Solaren, ABD merkezli dağıtım firması Pasifik Gaz ve Elektrik ile anlaştı bile. Kısacası sektör harekete geçiyor.

Öte yandan, Caltech gibi kurumların maliyetleri düşürmek için ne kadar büyük çaba harcadığını anlıyoruz. Örneğin, geleneksel olarak ucuz teknoloji geliştirmek yerine, herkesin ucuza mal ettiği işleri yapısal mimari nedeniyle pahalıya mal eden NASA’nın lazer ışınlı SPS-ALPHA güneş enerjisi istasyonundan hareket edersek uzaydan enerjinin şimdilik ekonomik olmadığını görüyoruz.

Nitekim NASA uzaya 1 kg yük gönderme maliyetini kargonun niteliğine göre 9000 ila 43 bin dolar olarak hesaplıyor. Bu da 4000 tonluk bir istasyon için 36 milyar dolar ve 80 bin tonluk Yıldız Savaşları zihniyetli hormonlu bir istasyon için de 3,44 trilyon dolar ediyor. Mars’a insan göndermenin bile 30 milyar doları aşmayacağını düşünürseniz küçük ve hafif uyduların önemi artıyor.

Güneş enerjisi istasyonu gerçekçi mi?

Aslında evet; çünkü SpaceX’in yeniden kullanılabilen Falcon Heavy roketi 1 kg yükü uzaya 1700 dolara fırlatıyor! Güneş enerjisi istasyonu bileşenlerini alçak yörüngeye 53 ton yararlı yük gönderebilen Falcon Heavy ile toplu halde taşıyacağımızı düşünürseniz uzaydan enerji maliyetinin 6,8 milyar dolarla başladığını görebilirsiniz. Üstelik hafif sistemler geliştirdikçe bu daha da ucuzlayacak. Özetle NASA’ya göre 1 kg fırlatma maliyeti 200 dolar altına düşmeli. Eh onun için de SpaceX Yıldız Gemisi var.

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Ne kadar ölçeklenebilir?

2018 itibariyle global enerji tüketimi yaklaşık 115 bin terawatttır. Bilim insanlarının yaptığı araştırmalar ise uzaydan enerji transferi söz konusu olduğunda, Dünya atmosferi ile ozon tabakasının sadece 2 terawatt saatlik mikrodalga altyapısı kaldırabileceğini gösteriyor. Daha fazla enerji ışınlamaya kalkarsak atmosfere kalıcı zarar verme riski doğuyor ki sorun enerji transferi değil, sorun uzaya çok sayıda roket gitmesinden kaynaklanan azot oksit ile su buharı artışıdır.

Özetle uzaydan enerji transferi güneş enerjisini ucuzlatacak ve yaygınlaşmasını sağlayacak; ama güneş enerjisi asla tek başına fosil yakıtların yerini alamayacak. Bunun için yeryüzündeki güneş panelleriyle elektrik üretmeye devam etmemiz, üretimi artırmamız ve nükleer enerji kullanımını yaygınlaştırmamız gerekiyor. Ekonominin gerçekleri Greta Thunberg dinlemiyor.

Soros ve Bill Gates tarafından finanse edilen Thunberg hareketinin (küçük kızın BM genel kurulunda İsveçli death metal solistleri gibi bağırması bir yana) ne kadar samimi olduğu ayrı bir araştırma konusu. Ancak, Bill Gates’in temiz nükleer füzyon yerine, radyoaktif atık üreten klasik nükleer güç santrallerini desteklediğini biliyoruz (yeni kuşak daha güvenli çalışacak; ama nükleer kaza riski olacak)

Öyleyse güneş enerjisi istasyonu bir hayal mi? Kesinlikle değil. Her zaman belirttiğim gibi, insanlığın artan enerji ihtiyacını sadece güneş enerjisi ile sağlayamayız. Bize nükleer füzyon, hidrojen yakıt hücreleri VE güneş enerjisi lazım. Ancak, uzaydan güneş enerjisi ışınlamak küresel ısınmaya yol açan fosil yakıtların kullanımını daha hızlı azaltacak. Bu yüzden kablosuz enerji transferini desteklemeliyiz.

İlgili yazı: Güçlü Nükleer Kuvvet Ne Kadar Güçlü?

 

Neden güneş tarlaları?

Az önce uzaydan güneş enerjisi transferi için en pratik yolun mikrodalga tabanlı kablosuz enerji transferi olduğunu gördük. Oysa uydunuz ne kadar yüksekte dönüyorsa yere ulaşan ışın da o kadar geniş tabanlı olacaktır. Mikrodalga kullanan güneş enerjisi uyduları 36 bin km uzakta döneceğine göre sizin de yeryüzünde 10 km çapında bir anten inşa etmeniz gerekecek.

Gerçi bunu çanak anten gibi düşünmeyin. Daha çok Nevada’da kurulan türden dairesel bir güneş enerjisi santrali gibi düşünün (karşılaştırma açısından, lazer tabanlı uyduların göndereceği lazer ışınları 1 metre genişlikte olacak ve sadece 100 m genişliğindeki bir antenle toplanabilecektir). Yine de mikrodalga transferi için Dünya’ya 20-30 adet 10 km çapında alıcı anten kurmak yeterli olacaktır.

Caltech güneş enerjisi uydularının diken benzeri verici antenleri burada devreye giriyor: Uzaydan 1 gigawatt saatlik enerji transferi için 10 milyon 100 wattlık anten üretmeniz gerekiyor. Bunun için verici antenleri küçülterek kalem boyuna indirmek lazım ki bunlar faz anteni olacaktır. Neden derseniz:

Enerji transferi yönünü elektromanyetik olarak kontrol eden faz antenlerini önceki yazıda anlattım. Faz anteni kullanmanın diğer yararı ise uydu ile yer istasyonu arasında atmosferdeki bulutları delecek 3-6 gigahertzlik ideal mikrodalga aralığını yakalamaktır. Böylece atmosferde enerji kaybını da azaltırız.

Faz anteni ve kılavuz ışın

Tüm bu ayarların kılavuz ışın gerektirdiğini de unutmayalım. Yer istasyonları uzaya lazer ışınları gönderecek ve güneş enerjisi uydusunun yer istasyonuna hizalanmasını sağlayacak. Kılavuz sinyal kesilirse kablosuz enerji transferi de güvenlik sebebiyle duracak. Her durumda metrekareye 1 kilowatt saatlik transfer yapılacak ki bu öğle güneşi radyasyonuna eşit olup gayet güvenlidir.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Neden Çin ve Japonya?

Çin Dünya’nın en kalabalık ülkesi ve gezegenin fabrikası olarak büyük miktarda enerji tüketmek zorunda. Nitekim Dünya’da en çok kömür kullanan ülke olmasına rağmen, güneş enerjisine en hızlı geçen ülke de Çin. Bu nedenle uzaydan güneş enerjisi ışınlamak ülkenin Yakındoğu’dan petrol satın alma ihtiyacını azaltacak.

Japonya ise kendi enerjisini üretmek için yeterli doğal kaynağı olmayan ve güneş enerjisi santrali açacak bir karış toprağı bulunmayan aşırı kalabalık bir ada. Japon hükümeti Fukuşima nükleer kazasından sonra halkın nükleer enerjiye güvenini yitirmesi nedeniyle hızla güneş enerjisine geçmek istiyor.

Güneybatı Çin’deki Chongqing Sivil-Askeri Entegrasyon Araştırma Enstitüsü başkan yardımcısı Xie Gengxin ise ülkesinin duruşunu şöyle açıklıyor: “Chongqing’in Bishan beldesinde 33 dekarlık bir test alanı açtık ve 15 milyon dolar yatırımla 2050’de uzayda güneş enerjisi istasyonu kurmak için ekonomik fizibilite çalışmalarına başladık. Tesis iki yılda tamamlandıktan sonra 4-6 adet kablolu balon uçurup 1000 metre irtifadan mikrodalga ile kablosuz enerji transferi yapacağız.”

Gördüğünüz gibi Çin güneş enerjisinde liderliğini koruyor ve uzaydan güneş enerjisi sektörüne hızlı bir giriş yapıyor. Peki Çin Ay’dan Helyum 3 Çıkararak nükleer füzyon ve uzay yarışında Amerika’nın önüne nasıl geçebilir? Onu da şimdi okuyabilir ve Güneş’in nükleer füzyonla nasıl ışık saçtığına bakabilirsiniz. Ancak, asıl önemli olan uzay asansörüne geçmektir. Yoksa uzaya yayılırken çok sayıda roket göndererek egzoz gazıyla atmosfere zarar verebiliriz. Pastırma yazının sona ermek üzere olduğu ülkemizde şimdiden muhteşem bir kış dilerim.

Güneş enerjisi uyduları nasıl çalışıyor?

¹Global atmospheric response to emissions from a proposed reusable space launch system (pdf)
²Space-based solar power – ESA
³Space-Based Solar Power (DOE)
⁴World Energy Consumption
⁵Solar Power Transmission (Wireless) Through Satellites (SPS) (pdf)