Η ιδέα της σύλληψης του ηλιακού φωτός στο διάστημα και της ακτινοβολίας του στη Γη ήταν εδώ και πολύ καιρό θέμα επιστημονικής φαντασίας. Αλλά όπως Τζον Κάρτραιτ ανακαλύπτει, οι κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο παίρνουν τώρα στα σοβαρά την «ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα» ως πιθανή λύση για τις ενεργειακές μας ανάγκες
Ο θεωρητικός φυσικός Freeman Dyson φαντάστηκε κάποτε έναν εξωγήινο πολιτισμό που ήταν τόσο προηγμένος που είχε περικυκλώσει το μητρικό του αστέρι με ένα γιγάντιο, τεχνητό κέλυφος. Η εσωτερική επιφάνεια αυτού «Σφαίρα Ντάισον» θα συλλάβει την ηλιακή ακτινοβολία και θα τη μετέφερε σε σημεία συλλογής, όπου θα μετατρεπόταν σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια. Μια τέτοια ιδέα παραμένει επιστημονική φαντασία, αλλά θα μπορούσε μια παρόμοια αρχή να χρησιμοποιηθεί σε πολύ μικρότερη κλίμακα για να αξιοποιήσουμε τη δύναμη του δικού μας Ήλιου;
Άλλωστε, πέρα από τα σύννεφα, στην ανύχτια πύρινη λαίλαπα του διαστήματος κοντά στη Γη, υπάρχει περισσότερη αδιάλειπτη ηλιακή ενέργεια από ό,τι θα μπορούσε ρεαλιστικά να απαιτήσει η ανθρωπότητα για τους επόμενους αιώνες. Γι' αυτό μια ομάδα επιστημόνων και μηχανικών, για περισσότερα από 50 χρόνια, ονειρεύεται τεχνικές για να συλλάβει αυτή την ενέργεια στο διάστημα και να την εκπέμψει πίσω στο έδαφος.
Η «ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα», όπως είναι γνωστό, έχει δύο τεράστια πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους για την άντληση του Ήλιου και του ανέμου. Πρώτον, η τοποθέτηση ενός δορυφόρου που συλλαμβάνει το φως του ήλιου στο διάστημα σημαίνει ότι δεν θα χρειαστεί να καλύψουμε τεράστιες εκτάσεις γης στη Γη με ηλιακούς συλλέκτες και αιολικά πάρκα. Δεύτερον, θα είχαμε άφθονη παροχή ενέργειας ακόμη και όταν, παρά τις τοπικές καιρικές συνθήκες, έχει συννεφιά ή ο άνεμος έχει εξασθενήσει.
Και αυτό είναι το πρόβλημα με την ηλιακή ενέργεια και την αιολική ενέργεια εδώ στη Γη: δεν μπορούν ποτέ να καλύψουν τις ενεργειακές μας απαιτήσεις σε σταθερή βάση, ακόμη κι αν επεκταθούν σημαντικά. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Nottingham υπολόγισαν πέρυσι ότι, εάν το Ηνωμένο Βασίλειο βασιζόταν πλήρως σε αυτές τις ανανεώσιμες πηγές, η χώρα θα χρειαζόταν να αποθηκεύσει περισσότερες από 65 τεραβατώρες ενέργειας. Αυτό θα κόστιζε πάνω από 170 δισεκατομμύρια λίρες, περισσότερο από το διπλάσιο από το μελλοντικό σιδηροδρομικό δίκτυο υψηλής ταχύτητας της χώρας (Ενέργειες 14 8524).
Οι περισσότερες προσπάθειες για την υλοποίηση της ηλιακής ενέργειας που βασίζεται στο διάστημα έχουν, δυστυχώς, πλήττουν φαινομενικά δυσεπίλυτα τεχνικά και οικονομικά προβλήματα. Όμως οι καιροί αλλάζουν. Τα καινοτόμα σχέδια δορυφόρων, καθώς και το πολύ χαμηλότερο κόστος εκτόξευσης, κάνουν ξαφνικά την ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα να μοιάζει ρεαλιστική λύση. Ιαπωνία το έχει γράψει σε νόμο ως εθνικό στόχο, ενώ η Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος έχει κάνει μια πρόσκληση για ιδέες. Κίνα και οι ΗΠΑ είναι και οι δύο κτιριακές εγκαταστάσεις δοκιμών.
Εν τω μεταξύ, α διαβούλευση που δημοσιεύθηκε από την κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου το 2021 κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα είναι τεχνικά και οικονομικά εφικτή. Με δελεαστικό τρόπο, υπολόγισε ότι αυτή η τεχνολογική λύση θα μπορούσε να εφαρμοστεί 10 χρόνια πριν από τον στόχο «καθαρού μηδέν» του 2050 της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Κλιματική Αλλαγή. Είναι λοιπόν η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα η απάντηση στα δεινά του κλίματος; Και αν ναι, τι το εμποδίζει να γίνει πραγματικότητα;
Διαστημικά όνειρα
Η αρχική ιδέα της ηλιακής ενέργειας από το διάστημα ονειρεύτηκε το 1968 ο Peter Glaser, ένας Αμερικανός μηχανικός στην εταιρεία συμβούλων Arthur D Little. Οραματίστηκε να τοποθετήσει έναν τεράστιο δορυφόρο σε σχήμα δίσκου σε γεωστατική τροχιά περίπου 36,000 km πάνω από τη Γη (Επιστήμη 162 857). Ο δορυφόρος, περίπου 6 km σε διάμετρο, θα κατασκευαστεί από φωτοβολταϊκά πάνελ για να συλλέγει το ηλιακό φως και να το μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια στη συνέχεια θα μετατραπεί σε μικροκύματα χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή σωλήνων και θα μεταδοθεί στη Γη μέσω ενός πομπού διαμέτρου 2 km.
Είναι η μόνη μορφή πράσινης, ανανεώσιμης ενέργειας με τη δυνατότητα να παρέχει συνεχή, βασική ηλεκτρική ενέργεια.
Chris Rodenbeck, Εργαστήριο Ναυτικής Έρευνας των ΗΠΑ
Η ομορφιά των μικροκυμάτων είναι ότι δεν απορροφώνται από τα σύννεφα εδώ στη Γη και έτσι θα περνούν σε μεγάλο βαθμό (αν και όχι εντελώς) ανεμπόδιστα από την ατμόσφαιρά μας. Ο Glaser οραματίστηκε να συλλέγονται από μια σταθερή κεραία διαμέτρου 3 km, όπου θα μετατρέπονταν σε ηλεκτρική ενέργεια για το δίκτυο. «Αν και η χρήση δορυφόρων για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας μπορεί να απέχει αρκετές δεκαετίες», έγραψε, «είναι δυνατό να διερευνηθούν διάφορες πτυχές της απαιτούμενης τεχνολογίας ως οδηγός για μελλοντικές εξελίξεις».
Η αρχική αντίδραση ήταν θετική τουλάχιστον σε μερικά τρίμηνα, με τη NASA να αναθέτει στην εταιρεία του Glaser, Arthur D Little, ένα συμβόλαιο για περαιτέρω μελέτη. Με τα χρόνια, ωστόσο, τα συμπεράσματα των μεταγενέστερων μελετών για την ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα κυμαίνονταν από προσεκτικά θετικά έως εξωτερικά αρνητικά.
1 Δορυφόρος ηλιακής ενέργειας πολλαπλών περιστροφικών συνδέσμων (MR-SPS)
Αυτή η ιδέα για την ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα βασίζεται στις αρχικές προτάσεις του 1968 που επινόησε ο Αμερικανός μηχανικός Peter Glaser. Γνωστός ως Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite (MR-SPS), εφευρέθηκε το 2015 από τον Hou Xinbin και άλλους στην China Academy of Space Technology στο Πεκίνο. Ο δορυφόρος των 10,000 τόνων, ο οποίος έχει πλάτος περίπου 12 km, θα κινείται σε μια γεωστατική τροχιά περίπου 36,000 km πάνω από τη Γη, με το ηλιακό φως να συλλέγεται από ηλιακούς συλλέκτες και να μετατρέπεται σε μικροκύματα που εκπέμπονται στη Γη από έναν κεντρικό πομπό. Για να επιτρέπεται η συνεχής μετάδοση της ενέργειας σε εμάς, τα φωτοβολταϊκά πάνελ μπορούν να στραφούν προς τον Ήλιο σε σχέση με τον κεντρικό πομπό, ο οποίος βλέπει πάντα τη Γη. Τα ηλιακά πάνελ και ο πομπός συνδέονται με ένα ενιαίο ορθογώνιο ικρίωμα. Σε αντίθεση με τα ανταγωνιστικά σχέδια, η ιδέα MR-SPS δεν βασίζεται σε καθρέφτες.
Το 2015, για παράδειγμα, η τεχνολογία δεν έλαβε παρά μια χλιαρή ετυμηγορία σε έκθεση από το Ινστιτούτο Στρατηγικών Μελετών (SSI) του Κολεγίου Πολέμου Στρατού των ΗΠΑ, η οποία ανέφερε «δεν υπάρχουν αδιάσειστα στοιχεία» ότι η διαστημική ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε να είναι οικονομικά ανταγωνιστική με την επίγεια παραγωγή ενέργειας. Το SSI επέκρινε ιδιαίτερα τις «αμφισβητήσιμες υποθέσεις» που έγιναν από τους υποστηρικτές του σχετικά με τη μεταφορά μιας τόσο τεράστιας δομής σε τροχιά στο διάστημα. Με απλά λόγια, η έκθεση ανέφερε ότι δεν υπάρχουν αρκετά οχήματα εκτόξευσης και αυτά που είναι διαθέσιμα είναι πολύ ακριβά.
Αλλά η λιγότερο λαμπερή ετυμηγορία της SSI ήρθε ενώπιον ιδιωτικών εταιρειών – ειδικά SpaceX – άρχισε να μεταμορφώνει τη διαστημική βιομηχανία. Συνδυάζοντας επαναχρησιμοποιήσιμα πυραυλικά συστήματα με στάση δοκιμών και λάθους στην έρευνα και ανάπτυξη, η αμερικανική εταιρεία μείωσε, την τελευταία δεκαετία, το κόστος εκτόξευσης σε τροχιά κοντά στη Γη κατά περισσότερο από έναν παράγοντα 10 (ανά κιλό ωφέλιμου φορτίου ), με σχέδια για περαιτέρω μείωση κατά μια τάξη μεγέθους. Αυτό που η SSI θεώρησε ως σημαντικό περιορισμό σχετικά με το κόστος εκτόξευσης, στην πραγματικότητα, δεν αποτελεί πλέον ζήτημα.
Όχι ότι το κόστος απόκτησης ενός δορυφόρου στο διάστημα ήταν το μόνο πρόβλημα. Η αρχική ιδέα του Glaser ήταν απατηλά απλή, με πολλές κρυφές προκλήσεις. Για αρχή, καθώς ένας δορυφόρος περιστρέφεται γύρω από τη Γη, η γωνία μεταξύ του Ήλιου, του σκάφους και του σημείου στη Γη στο οποίο στέλνεται η ενέργεια αλλάζει συνεχώς. Για παράδειγμα, εάν ένας γεωστατικός δορυφόρος εκπαιδεύεται στη Γη, τα φωτοβολταϊκά του θα είναι στραμμένα προς τον Ήλιο το μεσημέρι, αλλά θα έχουν την πλάτη τους στον Ήλιο τα μεσάνυχτα. Με άλλα λόγια, ο δορυφόρος δεν θα παράγει ηλεκτρισμό συνεχώς.
Η αρχική λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν η συνεχής περιστροφή των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε σχέση με τους πομπούς μικροκυμάτων, οι οποίοι θα έμεναν σταθεροί. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ τότε θα έδειχναν πάντα προς τον Ήλιο, ενώ οι πομποί θα έβλεπαν πάντα τη Γη. Η λύση που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1979 από τη NASA ως ανάπτυξη των ιδεών του Glaser, επεκτάθηκε περαιτέρω σε μια πρόταση του 2015 από μηχανικούς της Ακαδημίας Διαστημικής Τεχνολογίας της Κίνας στο Πεκίνο, οι οποίοι την ονόμασαν Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite ή MR-SPS (σχήμα 1).
Εν τω μεταξύ, Τζον Μάνκινς, πρώην μηχανικός της NASA, επινόησε μια αντίπαλη λύση το 2012. Μεταγλ SPS Alpha, η ιδέα του ήταν να διατηρήσει σταθερά τα ηλιακά πάνελ και τον πομπό, αλλά να εγκαταστήσει πολλούς καθρέφτες γύρω από τα πάνελ (εικόνα 2). Γνωστοί ως ηλιοστάτες, αυτοί οι καθρέφτες θα μπορούν να περιστρέφονται, ανακατευθύνοντας συνεχώς το ηλιακό φως στα ηλιακά πάνελ και έτσι επιτρέποντας στον δορυφόρο να παρέχει ενέργεια στη Γη χωρίς διακοπή.
2 SPS-Alpha
Στην ιδέα SPS-Alpha, που εφευρέθηκε από τον πρώην μηχανικό της NASA John Mankins στις ΗΠΑ, το κύριο σώμα του δορυφόρου – τα ηλιακά πάνελ και ο πομπός – είναι σταθερό και είναι πάντα στραμμένο προς τη Γη. Σταθμένος σε μια γεωστατική τροχιά, ο δορυφόρος 8000 τόνων αποτελείται από μια συστοιχία μονάδων σε σχήμα δίσκου που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω φωτοβολταϊκών και στη συνέχεια μεταδίδουν αυτήν την ενέργεια ως μικροκύματα. Σε αυτή τη διάταξη διαμέτρου 1700 μέτρων είναι συνδεδεμένη μια ξεχωριστή, μεγαλύτερη, σε σχήμα θόλου συστοιχία κατόπτρων, που στρέφονται ανεξάρτητα για να αντανακλούν το ηλιακό φως στη διάταξη, ανάλογα με το πού βρίσκεται ο Ήλιος σε σχέση με τη Γη στη γεωστατική τροχιά.
Ούτε το MR-SPS ούτε το SPS Alpha, ωστόσο, είναι ικανοποιητικά, σύμφωνα με Ian Cash, διευθυντής και αρχιμηχανικός στο International Electric Company Limited στο Oxfordshire του Ηνωμένου Βασιλείου. Πρώην σχεδιαστής ηλεκτρονικών συστημάτων στους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροδιαστημικής και της ενέργειας, ο Cash έστρεψε το μυαλό του πριν από μια δεκαετία στην ιδιωτική ανάπτυξη καθαρών, μεγάλης κλίμακας πηγών ενέργειας. Αρχικά δελεασμένος από το δυναμικό της πυρηνικής σύντηξης, παρασύρθηκε από τα «πραγματικά δύσκολα» προβλήματά της και γρήγορα κατέφυγε στην ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα ως την πιο πρακτική επιλογή.
Για τα μετρητά, το πρόβλημα τόσο με το MR-SPS όσο και με το SPS Alpha είναι ότι πρέπει να περιστρέψουν ορισμένα μέρη του δορυφόρου σε σχέση με άλλα. Επομένως, κάθε μέρος θα πρέπει να συνδέεται φυσικά με ένα άλλο και χρειάζεται μια αρθρωτή άρθρωση που να κινείται. Το πρόβλημα είναι ότι όταν χρησιμοποιούνται σε δορυφόρους όπως ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, τέτοιες αρθρώσεις μπορεί να αποτύχουν λόγω φθοράς. Η παράλειψη αρθρωτών αρθρώσεων θα έκανε έναν δορυφόρο ηλιακής ενέργειας πιο αξιόπιστο, κατέληξε ο Cash. «Ήθελα να μάθω τι θα χρειαζόταν για να έχουμε μια λύση στερεάς κατάστασης που να βλέπει πάντα τον Ήλιο και τη Γη», λέει.
Μέχρι το 2017 ο Cash το είχε καταλάβει, ή έτσι ισχυρίζεται. Του Έννοια ΚΑΣΣΙΟΠΕΙΑ είναι ένας δορυφόρος που ουσιαστικά μοιάζει με σπειροειδή σκάλα, με τα φωτοβολταϊκά πάνελ να είναι τα «πέλματα» και οι πομποί μικροκυμάτων –διπόλοι σε σχήμα ράβδου – να είναι οι «ανυψωτήρες». Η έξυπνη ελικοειδής γεωμετρία του σημαίνει ότι το CASSIOPeiA μπορεί να λαμβάνει και να μεταδίδει ηλιακή ενέργεια 24 ώρες την ημέρα, χωρίς κινούμενα μέρη (εικόνα 3).
Ο Cash, ο οποίος σκοπεύει να επωφεληθεί από την CASSIOPeiA με την αδειοδότηση της σχετικής πνευματικής ιδιοκτησίας, διεκδικεί πολλά άλλα οφέλη από την ιδέα του. Ο προτεινόμενος δορυφόρος του μπορεί να κατασκευαστεί από εκατοντάδες (και πιθανώς χιλιάδες) μικρότερες μονάδες συνδεδεμένες μεταξύ τους, με κάθε μονάδα να συλλαμβάνει την ηλιακή ενέργεια, να τη μετατρέπει ηλεκτρονικά σε μικροκύματα και στη συνέχεια να τα μεταδίδει στη Γη. Η ομορφιά αυτής της προσέγγισης είναι ότι αν κάποια μονάδα χτυπηθεί από κοσμικές ακτίνες ή διαστημικά συντρίμμια, η αποτυχία της δεν θα έδιωχνε ολόκληρο το σύστημα.
Ένα άλλο πλεονέκτημα του CASSIOPeiA είναι ότι τα μη φωτοβολταϊκά εξαρτήματα βρίσκονται μόνιμα στη σκιά, γεγονός που ελαχιστοποιεί τη διάχυση θερμότητας – κάτι που αποτελεί πρόβλημα στο κενό του χώρου χωρίς μεταφορά. Τέλος, καθώς ο δορυφόρος είναι πάντα προσανατολισμένος προς τον Ήλιο, μπορεί να καταλάβει περισσότερους τύπους τροχιάς, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι εξαιρετικά ελλειπτικοί. Τότε θα ήταν, κατά καιρούς, πιο κοντά στη Γη από ό,τι αν ήταν γεωστατικό, γεγονός που το καθιστά φθηνότερο καθώς δεν χρειάζεται να κλιμακώσετε το σχέδιο με βάση έναν τόσο τεράστιο πομπό.
3 ΚΑΣΣΙΟΠΕΙΑ
a Η πρόταση CASSIOPeiA για ηλιακή ενέργεια με βάση το διάστημα, που αναπτύχθηκε από τον Ian Cash στην International Electric Company Limited στο Ηνωμένο Βασίλειο, προβλέπει έναν δορυφόρο με μάζα έως 2000 τόνους σε γεωσύγχρονη ή ελλειπτική τροχιά γύρω από τη Γη. b Το φως του ήλιου χτυπά δύο τεράστιους ελλειπτικούς καθρέφτες (κίτρινους δίσκους), ο καθένας με διάμετρο έως 1700 m, που βρίσκονται σε γωνία 45° σε μια ελικοειδή συστοιχία έως και 60,000 ηλιακών συλλεκτών (γκρι). Αυτά τα πάνελ συλλέγουν το ηλιακό φως και το μετατρέπουν σε μικροκύματα με συγκεκριμένη συχνότητα, τα οποία στη συνέχεια μεταδίδονται σε έναν επίγειο σταθμό στη Γη, διαμέτρου περίπου 5 km. Αυτός ο σταθμός μετατρέπει τα μικροκύματα σε ηλεκτρική ενέργεια για το δίκτυο. Το πλεονέκτημα της ελικοειδής γεωμετρίας είναι ότι τα μικροκύματα μπορούν να κατευθύνονται συνεχώς προς τη Γη χωρίς να χρειάζονται αρθρωτές αρθρώσεις, οι οποίες συχνά αποτυγχάνουν σε διαστημικά περιβάλλοντα. c Αντίθετα, τα μικροκύματα κατευθύνονται μέσω προσαρμογών στη σχετική φάση των διπόλων στερεάς κατάστασης.
Ίσως δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι ανταγωνιστές του Cash δεν συμφωνούν με την εκτίμησή του. Mankins, ο οποίος τώρα εδρεύει στο Artemis Innovation Management Solutions στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, αμφισβητεί ότι οι αρθρωτοί ηλιοστάτες στην ιδέα του SPS-Alpha είναι πρόβλημα. Αντίθετα, ισχυρίζεται ότι είναι «μια απλή επέκταση [μιας] πολύ ώριμης τεχνολογίας» που χρησιμοποιείται ήδη για τη συγκέντρωση του ηλιακού φωτός για τη θέρμανση των ρευστών και την κίνηση τουρμπίνων σε “Ηλιακοί πύργοι” εδώ στη Γη. Πιστεύει επίσης ότι οι διπλοί καθρέφτες που απαιτούνται από την CASSIOPeiA θα μπορούσαν να αποτελέσουν πρόβλημα, καθώς πρέπει να είναι κατασκευασμένοι με μεγάλη ακρίβεια.
«Έχω μεγάλη εκτίμηση για τον Ίαν και το έργο του. Η πιο πρόσφατη ιδέα του CASSIOPeiA είναι μία από τις πολλές που έχουν πολύ παρόμοιο χαρακτήρα, συμπεριλαμβανομένου του SPS-Alpha», λέει ο Mankins. "Ωστόσο, δεν συμφωνώ με την προσδοκία του ότι η CASSIOPeiA θα αποδειχθεί ανώτερη από το SPS-Alpha." Για τον Mankins, η καλύτερη προσέγγιση για την ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα θα εξαρτηθεί τελικά από τα αποτελέσματα των αναπτυξιακών έργων, με το πραγματικό κόστος ανά κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας εδώ στη Γη να είναι ο κρίσιμος παράγοντας.
Επεκτάσιμο και εντυπωσιακό
Το ενδιαφέρον για τη διαστημική ηλιακή ενέργεια έχει λάβει μια πρόσθετη ώθηση μετά το Έκθεση της κυβέρνησης του Ηνωμένου Βασιλείου για το 2021 στην τεχνολογία, η οποία δύσκολα θα μπορούσε να ήταν πιο θετική για την ιδέα. Συντάχθηκε από μηχανικούς της συμβουλευτικής εταιρείας που εδρεύει στο Ηνωμένο Βασίλειο Frazer-Nash, ο οποίος αλληλογραφούσε με αρκετούς ειδικούς σε θέματα διαστημικής μηχανικής και ενέργειας – συμπεριλαμβανομένων των εφευρετών των SPS Alpha, MR-SPS και CASSIOPeiA.
Η έκθεση κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένας δορυφόρος CASSIOPeiA πλάτους 1.7 km σε γεωστατική τροχιά μεταδίδει ηλιακή ακτινοβολία σε 100 km2 Μια σειρά από δέκτες μικροκυμάτων (ή "rectenna") που βρίσκονται εδώ στη Γη θα παράγουν 2 GW συνεχούς ισχύος. Αυτό ισοδυναμεί με την παραγωγή ενός μεγάλου συμβατικού σταθμού παραγωγής ενέργειας. Είναι επίσης πολύ καλύτερο από, ας πούμε, το υπάρχον Αιολικό πάρκο London Array στις εκβολές του Τάμεση, που είναι περίπου 25% μεγαλύτερη αλλά παράγει μέση ισχύ μόλις 190 MW.
Πιο εντυπωσιακή, ωστόσο, ήταν η οικονομική ανάλυση της έκθεσης. Με βάση μια εκτίμηση ότι ένα σύστημα πλήρους μεγέθους θα κόστιζε 16.3 δισεκατομμύρια £ για την ανάπτυξη και την εκτόξευση, και επιτρέποντας ένα ελάχιστο ποσοστό απόδοσης της επένδυσης 20% σε ετήσια βάση, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένα σύστημα ηλιακής ενέργειας με βάση το διάστημα θα μπορούσε, κατά τη διάρκεια της ζωής του περίπου 100 ετών, να παράγει ενέργεια με £50 ανά MWh.
Ο Frazer-Nash λέει ότι είναι 14-52% πιο ακριβό από την τρέχουσα επίγεια αιολική και ηλιακή ενέργεια. Αλλά, κρίσιμα, είναι 39–49% φθηνότερο από τη βιομάζα, την πυρηνική ή τις πιο αποδοτικές πηγές ενέργειας φυσικού αερίου, οι οποίες είναι οι μόνες που μπορούν επί του παρόντος να προσφέρουν αδιάλειπτη ισχύ «βασικού φορτίου». Οι συντάκτες της έκθεσης είπαν επίσης ότι η συντηρητική εκτίμησή τους για το κόστος «θα αναμένεται να μειωθεί καθώς προχωρά η ανάπτυξη».
«Είναι απίστευτα επεκτάσιμο», λέει Μάρτιν Σολτάου του Frazer-Nash, ενός από τους συγγραφείς. Και με το επίπεδο του ηλιακού φωτός στον χώρο γύρω από τη Γη να είναι πολύ πιο φωτεινό από ό,τι κάτω, υπολογίζει ότι κάθε ηλιακή μονάδα θα μάζευε 10 φορές περισσότερο από ό,τι θα είχε αν εγκατασταθεί στο έδαφος. Η έκθεση υπολογίζει ότι το Ηνωμένο Βασίλειο θα χρειαζόταν συνολικά 15 δορυφόρους – ο καθένας με τη δική του δικτυακή εστία – για να καλύψει το ένα τέταρτο των ενεργειακών αναγκών της χώρας μέχρι το 2050. Κάθε rectenna θα μπορούσε να βρίσκεται δίπλα ή ακόμη και μέσα σε ένα υπάρχον αιολικό πάρκο.
Εάν το σύστημα επεκταθεί περαιτέρω, θα μπορούσε κατ' αρχήν να προσφέρει πάνω από το 150% της συνολικής παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας (αν και μια ανθεκτική παροχή ενέργειας θα υπαγόρευε συνήθως ένα ευρύ μείγμα πηγών). Η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα, προσθέτει ο Soltau, θα έχει επίσης πολύ μικρότερο αντίκτυπο στο περιβάλλον από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που βασίζονται στη Γη. Το αποτύπωμα άνθρακα θα ήταν μικρό, θα υπήρχαν λίγες απαιτήσεις για ορυκτά σπάνιων γαιών και, σε αντίθεση με τις ανεμογεννήτριες, δεν θα υπήρχε θόρυβος ή ψηλές ορατές κατασκευές.
Αν όλα αυτά ακούγονται πολύ καλά για να είναι αληθινά, μπορεί κάλλιστα να είναι. Η έκθεση Frazer-Nash παραδέχεται πολλά «αναπτυξιακά ζητήματα», ιδίως την εξεύρεση τρόπων για να γίνει πιο αποτελεσματική η ασύρματη μεταφορά ενέργειας. Κρις Ρόντενμπεκ, ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός από το Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ στην Ουάσιγκτον, λέει ότι είναι δύσκολο να επιτευχθούν επιδείξεις μεγάλης κλίμακας της τεχνολογίας. Απαιτούν σταθερές επενδύσεις και στοχευμένες προόδους σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως διόδους ανόρθωσης υψηλής ισχύος, τα οποία δεν είναι άμεσα διαθέσιμα.
Ευτυχώς, η ασύρματη μετάδοση ενέργειας έχει προχωρήσει εδώ και δεκαετίες. Το 2021 η ομάδα του Rodenbeck έστειλε 1.6 kW ηλεκτρικής ισχύος σε απόσταση 1 km, με απόδοση μετατροπής μικροκυμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια 73%. Εκ πρώτης όψεως, αυτό είναι λιγότερο εντυπωσιακό από την πιο ισχυρή επίδειξη ασύρματης ενέργειας μέχρι σήμερα, η οποία έλαβε χώρα το 1975 όταν το προσωπικό του Εργαστήριο Goldstone της NASA στην Καλιφόρνια μετέτρεψε τα μικροκύματα 10 GHz σε ηλεκτρική ενέργεια με απόδοση άνω του 80%. Ωστόσο, το σημαντικότερο είναι ότι ο Rodenbeck χρησιμοποίησε μικροκύματα χαμηλότερης συχνότητας 2.4 GHz, τα οποία θα υπέφεραν πολύ λιγότερες ατμοσφαιρικές απώλειες στο διάστημα.
Για να εξουδετερώσουν την υψηλότερη περίθλαση (εξάπλωση δέσμης) που εμφανίζεται φυσικά σε χαμηλότερες συχνότητες, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν το περιβάλλον έδαφος για να «αναπηδήσουν» τα μικροκύματα προς τη συστοιχία δέκτη, βελτιώνοντας έτσι την πυκνότητα ισχύος κατά 70% (IEEE J. Microw. 2 28). «Κάναμε [το τεστ] αρκετά γρήγορα και φθηνά κατά τη διάρκεια της παγκόσμιας πανδημίας», λέει ο Rodenbeck. «Θα μπορούσαμε να πετύχουμε περισσότερα»
Η αρχική κατασκευή θα απαιτήσει ένα εργοστάσιο 24/7 στο διάστημα, με μια γραμμή συναρμολόγησης όπως ένα εργοστάσιο αυτοκινήτων στη Γη.
Yang Gao, Πανεπιστήμιο του Surrey
Ο Rodenbeck είναι αισιόδοξος για τις προοπτικές της ηλιακής ενέργειας που βασίζεται στο διάστημα. Ενώ η πυρηνική σύντηξη, ισχυρίζεται, «προσκρούει σε βασικά προβλήματα της φυσικής», η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα – και η ασύρματη μεταφορά ενέργειας – απλώς «τρέχουν έναντι των δολαρίων». «[Είναι] η μόνη μορφή πράσινης, ανανεώσιμης ενέργειας με τη δυνατότητα να παρέχει συνεχή, βασική ηλεκτρική ενέργεια», ισχυρίζεται ο Rodenbeck. «Αποκλείοντας μια τεχνική ανακάλυψη [στην] ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη, φαίνεται πολύ πιθανό η ανθρωπότητα να αξιοποιήσει τη διαστημική ηλιακή ενέργεια για μελλοντικές ενεργειακές ανάγκες».
Μια σημείωση προσοχής, όμως, προέρχεται από Γιανγκ Γκάο, μηχανικός διαστήματος στο Πανεπιστήμιο του Surrey στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος παραδέχεται ότι «η τεράστια κλίμακα» του προτεινόμενου διαστημικού συστήματος «είναι αρκετά εντυπωσιακή». Πιστεύει ότι η αρχική κατασκευή μπορεί κάλλιστα να απαιτεί «ένα εργοστάσιο 24/7 στο διάστημα, με μια γραμμή συναρμολόγησης όπως ένα εργοστάσιο αυτοκινήτων στη Γη», πιθανώς χρησιμοποιώντας αυτόνομα ρομπότ. Όσο για τη διατήρηση της εγκατάστασης, αφού χτιστεί, ο Gao λέει ότι θα ήταν «απαιτητικό».
Για το Cash, αυτό που είναι κρίσιμο είναι η τροχιά που θα καταλάμβανε ένας δορυφόρος διαστημικής ενέργειας. Ένας γεωστατικός δορυφόρος ηλιακής ενέργειας θα ήταν τόσο μακριά από τη Γη που θα απαιτούσε τεράστιους και ακριβούς πομπούς και ορθοστάτες για να μεταδώσει αποτελεσματικά την ενέργεια. Αλλά εκμεταλλευόμενοι πολλαπλούς δορυφόρους σε μικρότερες, εξαιρετικά ελλειπτικές τροχιές, λέει ο Cash, οι επενδυτές θα μπορούσαν να υλοποιήσουν μικρότερα λειτουργικά συστήματα στην ιδέα CASSIOPeiA με ένα κλάσμα του κεφαλαίου. Το SPS Alpha και το MR-SPS, αντίθετα, θα έπρεπε να είναι πλήρους μεγέθους από την πρώτη μέρα.
Υπάρχει αρκετή θέληση;
Και όμως η μεγαλύτερη πρόκληση για την ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα μπορεί να μην είναι οικονομική ή τεχνική, αλλά πολιτική. Σε έναν κόσμο όπου πολλοί άνθρωποι πιστεύουν σε θεωρίες συνωμοσίας γύρω από την κινητή τεχνολογία 5G, η εκπομπή γιγαβάτ μικροκυματικής ενέργειας από το διάστημα στη Γη θα μπορούσε να αποδειχτεί σκληρή πώληση - παρά το γεγονός ότι η μέγιστη ένταση δέσμης είναι μόλις 250 W/m2, λιγότερο από το ένα τέταρτο της μέγιστης ηλιακής έντασης στον ισημερινό.
Στην πραγματικότητα, η έκθεση του Ηνωμένου Βασιλείου παραδέχεται ότι οι υποστηρικτές της πρέπει να δοκιμάσουν την όρεξη του κοινού και να «επιμεληθούν μια συζήτηση» γύρω από τις βασικές ιδέες. Αλλά υπάρχουν πραγματικές τεχνικές και κοινωνικές εκτιμήσεις, επίσης. Πού θα εγκατασταθούν οι ορθοστάτες; Πώς θα παροπλιστούν οι δορυφόροι στο τέλος της ζωής τους χωρίς να προσθέτουν διαστημικά σκουπίδια; Θα μείνει χώρος στο φάσμα των μικροκυμάτων για οτιδήποτε άλλο; Και θα είναι το σύστημα ευάλωτο σε επιθέσεις;
Στον απόηχο της έκθεσής της, η Η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου αποκάλυψε ένα ταμείο 3 εκατομμυρίων λιρών να βοηθήσει τις βιομηχανίες να αναπτύξουν μερικές από τις βασικές τεχνολογίες, με τον πρώην γραμματέα επιχειρήσεων Kwasi Kwarteng να λέει ότι η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα «θα μπορούσε να προσφέρει μια προσιτή, καθαρή και αξιόπιστη πηγή ενέργειας για ολόκληρο τον κόσμο». Αυτό το δοχείο με μετρητά είναι απίθανο να φτάσει πολύ σε μια επιχείρηση τέτοιας κλίμακας, γι' αυτό η Soltau βοήθησε στη δημιουργία μιας επιχείρησης που ονομάζεται Διαστημική Ηλιακή, η οποία ελπίζει να συγκεντρώσει ένα αρχικό ποσό 200 εκατομμυρίων λιρών από ιδιώτες επενδυτές.
Εν τω μεταξύ, αυτό που αποκαλεί «συνεργασία των πρόθυμων», η Πρωτοβουλία Διαστημικής Ενέργειας, έχει συγκεντρώσει επιστήμονες, μηχανικούς και δημόσιους υπαλλήλους από περισσότερα από 50 ακαδημαϊκά ιδρύματα, εταιρείες και κυβερνητικούς φορείς, οι οποίοι εργάζονται pro bono να βοηθήσει στην υλοποίηση ενός λειτουργικού συστήματος. Η SpaceX δεν είναι ακόμη στη λίστα, αλλά ο Soltau ισχυρίζεται ότι έχει τραβήξει την προσοχή της αμερικανικής εταιρείας. «Ενδιαφέρονται πολύ», λέει.
Τα μετρητά δεν αμφιβάλλουν ότι θα βρεθεί επένδυση. Οι επίγειες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν μπορούν να παρέχουν αδιάλειπτη ισχύ βασικού φορτίου χωρίς εξαιρετικά δαπανηρή υποδομή μπαταριών, ενώ η πυρηνική ενέργεια αντιμετωπίζει πάντα σκληρή αντίθεση. Η ηλιακή ενέργεια που βασίζεται στο διάστημα, πιστεύει ο Cash, είναι ένα ζωτικό μέρος του μείγματος εάν θέλουμε να μηδενίσουμε το καθαρό, και απλώς να ζητάμε από τους ανθρώπους να χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια είναι μια «επικίνδυνη ιδέα». Οι περισσότεροι πόλεμοι έχουν γίνει λόγω έλλειψης πόρων», λέει. «Αν δεν κοιτάξουμε πώς να κρατήσουμε τον πολιτισμό να προχωράει, η εναλλακτική είναι πολύ τρομακτική».
