Space-Based Solar Power is Dead

Summary

地球を周回する宇宙型ソーラーパネルのアイデアは、24時間365日のクリーンエネルギー供給を約束していますが、実現には多くの課題があります。コストが高額であること、エネルギーの多段変換による効率の低下、宇宙線や宇宙ゴミによる設備の損傷、地球に必要な受信エリアの広さなど、多くの問題が指摘されています。2021年、英国政府は宇宙型ソーラーパワーの実現可能性を検討し、2020年代初頭までに英国のエネルギーニーズの大部分を満たすことが可能ですと結論付けています。しかし、NASAの報告書では、これらが最も有利な状況下であっても、地上の再生可能エネルギーよりもはるかにコストがかかるとされる一方、ESAの技術者による研究では、衛星が地球の影に入ることによる急激な温度変化やビームの正確な照準が困難であることが示されています。これらの報告書により、宇宙型ソーラーパワーの将来について疑問が投げかけられています。

Takeaways

• 🛰️ 地球周回軌道上の太陽光発電アレイがエネルギーを地上に送信するというスペースベースの太陽光発電のアイデアは、一年ほど前のビデオで批判された。
• 🚫 最近の2つの報告書がこのアイデアを徹底的に否定し、面白い方法でではなく、現実的な問題を指摘している。
• 🌍 各国政府は気候変動対策として、70年代に考案されたスペースベースの太陽光発電を含む様々なアイデアを検討している。
• 🌞 このコンセプトは、太陽光を集めてマイクロ波に変換し、地球上の受信ステーションに送信するというものだが、技術的課題が多い。
• 💸 主な問題は、軌道に大量の物資を送るコストと効率が低いことだが、発射コストが急速に下がっている点は好材料だ。
• 🛠️ 宇宙放射線、宇宙塵、デブリによる装置の損傷が予想されるため、維持管理が難しい。
• 🦅 ビームの出力密度が低くないと鳥が焼けて落ちる可能性があるため、地上の受信アレイはマンハッタンほどの広さが必要。
• 🇬🇧 イギリスを含むいくつかの国がこのアイデアに投資し、特に英国ビジネス・エネルギー・産業戦略省は2040年代初頭に実現可能と評価している。
• 🇨🇳 中国は2030年までに軌道上の発電所を目指し、日本宇宙システム会社は2025年までに実現を目指している。
• 🚀 2022年にNASAがこのアイデアのコストを調査し、最適な条件でも地上の再生可能エネルギーよりもコストが高いと結論付けた。
• 🌡️ 以前ESAに勤務していたエンジニアの研究では、衛星が地球の影に入ると急激に温度が下がるため、標準的な電子機器では対応が難しいと指摘されている。
• 📡 ビームを正確に照準するのが困難で、効率がさらに低下する可能性がある。
• 📅 ESAもスペースベースの太陽光発電の技術的および経済的な実現可能性に関する報告書を作成中で、来年発表予定。
• 📉 NASAとESAの結論が一致すれば、このアイデアは終了する可能性が高い。

Q & A

宇宙型太陽光発電とはどのようなアイデアですか？

宇宙型太陽光発電は、地球軌道上に設置された太陽光パネルを用いて太陽光を集め、それを電子束やマイクロ波束として地球表面に伝える技術です。

宇宙型太陽光発電が注目される背景は何ですか？

地球温暖化に対抗するための新たなアイデアとして、1970年代から提案され、近年では技術の進歩により再び注目を集めています。

宇宙型太陽光発電の主要な難点は何ですか？

太陽光を集める装置を動かすことが必要なため、宇宙ごみ問題やコストの高さ、エネルギー変換の効率の低さなどが挙げられます。

宇宙型太陽光発電の効率はどの程度ですか？

複数のエネルギー変換が必要で、数千キロメートルを越えてエネルギーを運ぶため、効率は非常に低くなる可能性があります。

宇宙環境下で太陽光発電装置にどのような影響が考えられますか？

宇宙線、ほこり、宇宙ごみなどが装置に継続的な損傷を与える可能性があります。

地球表面での受信エリアの大きさはどの程度ですか？

ビームのパワー密度を低く保つ必要があるため、受信エリアは約50から100平方公里の広さになります。

イギリスは宇宙型太陽光発電にどのように対応していますか？

2021年にビジネス、エネルギー、産業戦略省がfeasibility-assessmentを依頼し、2040年代初頭までに英国のエネルギーニーズの大部分を満たすことが可能だと結論付けています。

宇宙型太陽光発電を研究している企業や研究機関には誰がいますか？

エアバス、ケンブリッジ大学、ロックヒド・マーチンなどがそのアイデアに投資しています。

NASAの報告書によると、宇宙型太陽光発電のコスト効率はどのようになっていますか？

基本的なシナリオでは、地面ベースの再生可能エネルギーよりもはるかに高価であることがわかりました。

ESAの技術者による新たな問題点とは何ですか？

衛星が地球の影に入ることで急激な温度変化が生じることや、ビームの精密な照射が困難であることが指摘されています。

Brilliant.orgはどのようなサービスを提供していますか？

科学、コンピュータサイエンス、数学の様々なトピックに関するコースを提供しており、インタラクティブな可視化や追跡質問、実行可能なPythonスクリプト、デモンストレーション実験付きのビデオが特徴です。

Outlines

00:00

🚀 宇宙型太陽光発電のアイデアと課題

宇宙型太陽光発電は、地球軌道上で太陽光を集め、地球表面にマイクロ波束でエネルギーを送るというアイデアです。しかし、この技術には多くの課題があります。まず、設備を宇宙に打ち上げるコストが高く、エネルギーの変換と輸送の過程で効率が低下する可能性があります。また、宇宙空間での設備の損傷や、地球表面での受信エリアの広大な面積が必要とされる点も問題視されています。さらに、技術的な課題として、受信エリアの調整や宇宙空間での設備の動的な調整が困難であることが指摘されています。

05:00

🔍 宇宙型太陽光発電の技術的・経済的feasibility

宇宙型太陽光発電の技術的および経済的なfeasibilityが議論されています。NASAの報告では、現在の状況では地面ベースの再生可能エネルギーよりもはるかにコストが高く、最適な状況下であっても競争力を持つ可能性があることが示されています。また、ESAの報告では、技術的な課題が示されています。例えば、衛星が地球の影に入ることによる急激な温度変化、またはビームの正確な調整の難しさなどです。これらの問題は、宇宙型太陽光発電の実現可能性を問い直すものとなっています。

Keywords

💡宇宙型太陽光発電

これは地球軌道上で設置された太陽光パネルの配列から成る発電システムであり、太陽光を集めてマイクロ波束として地球表面に送るというコンセプトです。ビデオの主題は、このアイデアの可能性と課題について探求しています。

💡地球温暖化

地球温暖化は、地球の気温が上昇し続けることで、様々な環境問題を引き起こしています。ビデオでは、宇宙型太陽光発電が地球温暖化から人類を救済する可能性があるアイデアの一つとして提唱されています。

💡エネルギー変換

太陽光を収集し、それをマイクロ波に変換するプロセスで、ビデオではこれが宇宙型太陽光発電の主要な難しさの一つとされています。エネルギー変換の効率は、発電システムの全体的な効率に大きな影響を及ぼします。

💡宇宙ゴミ

宇宙ゴミは、宇宙空間に残された人工物で、宇宙型太陽光発電施設にも影響を及ぼす可能性があります。ビデオでは、コレクターの群れが宇宙ゴミ問題を増加させる原因になるかもしれないと述べています。

💡コスト

宇宙に物を送るコストは高く、ビデオではこれが宇宙型太陽光発電の大きな障害として挙げられています。しかし、宇宙への物体の打ち上げコストが急速に下がるとも述べられています。

💡太陽光パネル

太陽光パネルは、太陽光を電気エネルギーに変換するデバイスで、ビデオでは宇宙型太陽光発電施設の主要な構成要素として説明されています。

💡マイクロ波束

マイクロ波束は、太陽光発電施設から地球表面の受信ステーションに向けて送られるエネルギーの形態です。ビデオでは、発電効率や安全性に影響を与える重要な要素とされています。

💡受信ステーション

受信ステーションは、地球表面に設置され、マイクロ波束を受信して電気エネルギーに変換する場所です。ビデオでは、これらのステーションが広大な土地を占有することについて触れられています。

💡技術的可行性

ビデオでは、宇宙型太陽光発電の技術的可行性が議論されており、esaやnasaなどの機関がその研究を行っていると報告されています。

💡経済的可行性

経済的可行性もビデオの主な議題の一つで、宇宙型太陽光発電が地面に設置された再生可能エネルギーよりもはるかに高価であることがnasaの報告書に示されています。

💡発展の最適条件

ビデオでは、宇宙型太陽光発電が競争力を持ち得るには、打ち上げコストの低下や太陽電池の効率向上など、多くの条件が最適に整う必要があると述べています。

Highlights

Space-based solar power arrays in orbit around Earth could provide clean, abundant energy 24/7.

Recent reports have challenged the feasibility of space-based solar power, contrary to earlier optimism.

The concept involves placing solar collectors in space, converting sunlight to microwave beams for transmission to Earth.

Major challenge: the need for movable parts to collect sunlight and aim the beam at Earth's receiver station.

Most designs propose swarms of collectors that must be precisely coordinated, potentially exacerbating space debris issues.

The power plants are typically several kilometers in size and weigh thousands of tons.

Launching such massive structures into space is prohibitively expensive, despite declining launch costs.

Efficiency concerns arise from multiple energy conversions and the need to transmit power over vast distances.

Cosmic radiation, dust, and space debris pose continuous damage risks to the equipment.

Space-based solar power requires large land areas for receiver arrays, comparable to the size of Manhattan.

Despite challenges, some countries like the UK and companies like Airbus are investing in the technology.

A 2021 UK government feasibility study concluded that space-based solar power could meet a substantial percentage of the UK's energy needs by the early 2040s.

NASA's recent report found space-based solar power to be significantly more expensive than ground-based renewable energy in baseline scenarios.

Optimistic assumptions about launch cost reductions and photovoltaic cell efficiency improvements could make space-based solar power competitive.

An ESA engineer highlighted issues like satellites entering Earth's shadow, causing sudden temperature drops of around 300°C.

Aiming the power beam is extremely difficult due to the need for precise synchronization of millions of transmitter parts.

The ESA is working on a report assessing the technological and economic feasibility of space-based solar power, expected to align with NASA's conclusions.

Brilliant.org offers interactive courses on various scientific topics, including those related to the content of this video.

Transcripts

Solar power arrays, in orbit around  Earth, beaming energy down to us,  

clean and abundant, 24/7. It sounds great.  The idea is called space-based solar power.  

I made a video about this a year ago that  I thought was kind of critical. But two  

recent reports have put my critical thinking  to shame. They’ve basically killed the idea,  

and not in a fun laser beam from  space kind of way. Let’s have a look.

Governments all over the planet  

have been scraping the bottoms of their barrels  for the next crazy idea that’s going to save us  

from climate change. Space-based solar power is  one of the things they found down there, right  

next to old banana peels and lint balls. It’s  an idea from the 1970s, but in the past decades,  

several groups of engineers have put forward  new designs for solar power stations in orbit.

The basic concept is to put sunlight collectors  into space, convert the energy into a microwave  

beam and send that to a receiver station on the  surface of our planet. The major difficulty is  

that the station has to simultaneously  collect light from the sun and aim the  

beam at the receiver station. This requires  the parts of the power plant to be movable.  

Most designs opt for a swarm of collectors  that must be coordinated which sounds like  

a really good idea and certainly isn’t going  to increase the space junk problem at all.

In total, these power plants are typically a few  

kilometers in extension and  weigh several thousand tons.

An obvious problem with the idea is that getting  that much stuff into space is expensive. Then  

again, the cost of launching stuff into space  is rapidly dropping. Another problem is that  

you expect the total efficiency to be miserable  because you have multiple energy conversions  

and must transport the energy over several ten  thousand kilometers. Then again, if you can make  

up for that by collecting so much more power,  maybe it doesn’t matter. There’s also the issue  

of cosmic radiation, dust, and space debris that  would pretty much constantly damage the equipment.

A not so obvious problem is that space based  solar power also takes up a lot of land. It’s  

because the power density of the beam must  be fairly low, unless you want birds to drop  

from the sky fully roasted. Consequently,  the receiver arrays on earth usually cover  

something in the ballpark of 50 to 100 square  kilometers, that’s roughly the size of Manhattan.

Still, some countries have invested into the idea,  in particular the Brits seem to like it. In 2021,  

the UK Department of Business,  Energy, and Industrial Strategy  

asked the consulting agency Frazer Nash for  a feasibility-assessment of space based solar  

power. They concluded that “it is feasible  to realise a constellation of solar power  

satellites delivering a substantial percentage  of the UK’s energy needs by the early 2040s”.

Companies and research institutions,  including Airbus, Cambridge University,  

and Lockheed Martin have invested into the idea.  The Chinese say they want to have a power station  

in orbit by 2030. The Company Japan Space Systems  wants to get it done even earlier, by 2025.

In 2022, NASA said they’ll be looking into  the idea and the first news today is that  

the NASA report appeared earlier this year.  They have studied how expensive space based  

solar power would be per electricity produced,  averaged over the lifetime of the power plant.

They found that in the two baseline scenarios that  they looked at it would be hugely more expensive  

than ground based renewable energy. They then  relaxed many of the assumptions that they had made  

and allowed for some optimistic developments:  launch costs dropping faster than expected,  

photovoltaic cells becoming more efficient,  and so on. They find that if all the stars  

align perfectly, then space based solar  power might just about be competitive.

The other thing that happened is a  study from an engineer who previously  

worked at ESA that was recently  published in IEEE. He points out  

a few issues that hadn’t occurred to  me previously. For example, he says,  

a few times a year the satellites would come  into earth’s shadow, and that would lead to a  

sudden temperature drop of around 300 °C. That’s  tough to cope with for standard electronics.

The other thing he points out is that it’ll  be very difficult to even aim the beam. It’s  

because the transmitter of these power stations  isn’t one single device. It’s a phased array  

that’s made up of millions of small parts that  must be very precisely synchronized with each  

other. This is extremely difficult and will  probably reduce the efficiency even more.

The ESA is currently working on their own report  about the technological and economic feasibility  

of developing a Space Based Solar Power program.  The report is due next year. I expect they’ll come  

to similar conclusions as NASA and if that  happens, I think that’ll be the end of space  

based solar power. Then again, there’s probably  more stuff at the bottom of that barrel, maybe  

giant hamster wheels or harnessing the energy of  stupid jokes. Hey, that one could actually work.

Did you know there's a free and easy way to  learn more about the science behind all the  

videos you've been watching? Yes, there is.  Have a look at Brilliant.org. Brilliant.org  

offers courses on a large variety of topics in  science, computer science, and mathematics. All  

their courses have interactive visualizations  and come with follow-up questions. Some even  

have executable Python scripts or videos with  little demonstration experiments. Whether you  

want to know more about large language models,  or quantum computing. Want to learn coding and  

Python or how computer memory works? Brilliant  has you covered. And, they're adding new courses  

each month. And of course, I have a special  offer for users of this channel. If you use  

my link brilliant.org/sabine you'll get to try  out everything Brilliant has to offer for a full  

30 days, and you'll get 20% off the annual  premium subscription. So go and check those out.