In 2019 hebben Chinese wetenschappers het plan opgevat om een zonnecentrale buiten de atmosfeer in een baan om de aarde brengen.
a) Geef een voordeel van een zonnecentrale buiten de atmosfeer.
Geen last van weersinvloeden/geen invloed van de dampkring/mogelijkheid tot 24h per dag licht op de panelen.
b) Geef een nadeel van een zonnecentrale buiten de atmosfeer.
De elektrische energie moet overgebracht worden naar aarde/reparaties moeilijk/lanceren kostbaar/schade door ruimtepuin mogelijk.
In een baan om de aarde geldt dat de benodigde middelpuntzoekende kracht wordt geleverd door de gravitatiekracht.
Voor een energiecentrale buiten de dampkring is de grote massa van de centrale een uitdaging.
c) Leg uit of dit een probleem is:
– tijdens de lancering.
– tijdens het verblijf in een baan om de aarde.
- Tijdens de lancering vormt de grote massa een probleem. Massa omhoog brengen kost energie.
- Tijdens het verblijf is de grote massa geen probleem. Tijdens het verblijf is de gravitatiekracht gelijk aan de middelpuntzoekende kracht. Links en rechts valt deze massa weg.
China wil de centrale op een hoogte van 36 · 103 km boven het aardoppervlak in een baan krijgen.
d) Voer de volgende opdrachten uit:
– Bereken de omlooptijd van de centrale.
– Leg uit waarom voor die hoogte gekozen wordt.
Er geldt dat de middelpuntzoekende kracht gelijk is aan de gravitatiekracht met:
$v=\frac{2\pi r}{T}$
Hieruit volgt de derde wet van Kepler (zie Binas/Sciencedata):
$\frac{r^3}{T^2}=\frac{GM}{4\pi^2}$
Ingevuld levert dit:
$\frac{\left(6,357\cdot 10^6 + 36\cdot 10^6 \right )^3}{T^2}=\frac{6,6738\cdot 10^{-11}\cdot 5,972\cdot 10^{24}}{4\pi^2}$
$T=8,6\cdot 10^4~\mathrm{s}=24~\mathrm{h}$
De omlooptijd is gelijk aan de omlooptijd van de aarde. Hierdoor blijft de centrale op een vast punt boven de aarde, wat het makkelijker maakt om de energie naar een basisstation op aarde over te brengen.
De door de centrale opgewekte energie zou in de vorm van microgolven of met infrarood laserlicht naar de aarde gezonden moeten worden. In 2012 wond Tesla-topman en uitvinder Elon Musk zich hier al over op:
“Je moet fotonen omzetten (1) naar elektronen en die weer omzetten (2) naar fotonen en die weer omzetten (3) naar elektronen. Wat is dan de conversiefactor?
e) Leg uit wat Elon Musk bedoelde met iedere omzetting (1), (2) en (3).
(1) Zonnepanelen moeten zichtbaar licht omzetten in elektrische stroom.
(2) Met de elektrische stroom moet elektromagnetische straling gemaakt worden die richting aarde gestuurd kan worden.
(3) Deze EM straling moet weer omgezet worden in bruikbare elektrische energie.
f) Leg uit op welke natuurkundige grootheid Elon Musk doelde met het begrip ‘conversiefactor’.
Het rendement.
g) Leg uit waarom de Chinese wetenschappers wel denken met de omzetting van zichtbaar licht in infrarood of microgolven winst te kunnen halen. Gebruik Binas tabel 30E of Sciencedatatabel 7.3b.
Uit de gegeven tabellen blijkt dat zichtbaar licht meer moeite heeft om de dampkring te passeren dan EM straling in het infrarood of microgolfgebied. Er gaat energie verloren bij de omzettingen, maar de verwachting is het minder is dan dat er microgolf of IR straling verloren gaat in de dampkring.
