Kosmiczna energia słoneczna: czy promienie słoneczne z powrotem na Ziemię mogą zaspokoić nasze potrzeby energetyczne?

Fizyk teoretyczny Freeman Dyson wyobraził sobie kiedyś obcą cywilizację, która była tak zaawansowana, że ​​otoczyła swoją gwiazdę macierzystą gigantyczną, sztuczną powłoką. Wewnętrzna powierzchnia tego „Sfera Dysona” wychwytywałoby promieniowanie słoneczne i przekazywało je do punktów odbioru, gdzie zostałoby przetworzone na energię użytkową. Takie pojęcie pozostaje science fiction, ale czy podobną zasadę można zastosować na znacznie mniejszą skalę, aby ujarzmić moc naszego własnego Słońca?

W końcu poza chmurami, w beznocnym blasku przestrzeni bliskiej Ziemi, znajduje się więcej nieprzerwanej energii słonecznej, niż ludzkość mogłaby realistycznie potrzebować przez nadchodzące stulecia. Właśnie dlatego grupa naukowców i inżynierów od ponad 50 lat wymyśla techniki wychwytywania tej energii w przestrzeni kosmicznej i przesyłania jej z powrotem na ziemię.

„Kosmiczna energia słoneczna”, jak jest znana, ma dwie ogromne zalety w porównaniu z tradycyjnymi metodami czerpania energii ze Słońca i wiatru. Po pierwsze, umieszczenie w przestrzeni kosmicznej satelity przechwytującego światło słoneczne oznacza, że ​​nie musielibyśmy pokrywać ogromnych połaci ziemi panelami słonecznymi i farmami wiatrowymi. Po drugie, mielibyśmy wystarczające zapasy energii nawet wtedy, gdy pomimo lokalnych warunków pogodowych było pochmurno lub wiatr ustał.

I na tym właśnie polega problem z energią słoneczną i energią wiatrową tu, na Ziemi: nigdy nie będą one w stanie w sposób ciągły zaspokoić naszego zapotrzebowania na energię, nawet jeśli zostaną znacznie zwiększone. Naukowcy z Uniwersytetu w Nottingham oszacowali w zeszłym roku, że gdyby Wielka Brytania miała całkowicie polegać na źródłach odnawialnych, musiałaby zmagazynować ponad 65 terawatogodzin energii. Kosztowałoby to ponad 170 miliardów funtów, ponad dwukrotnie więcej niż budowa przyszłej sieci kolei dużych prędkości w kraju (Energie 14 8524).

Większość wysiłków zmierzających do wykorzystania kosmicznej energii słonecznej napotkała niestety pozornie nierozwiązywalne problemy techniczne i ekonomiczne. Ale czasy się zmieniają. Innowacyjne projekty satelitów, a także znacznie niższe koszty wyniesienia na orbitę, nagle sprawiają, że kosmiczna energia słoneczna wydaje się realistycznym rozwiązaniem. Japonia zapisał to w prawie jako cel narodowy, podczas gdy Europejska Agencja Kosmiczna ogłosił zaproszenie do zgłaszania pomysłów. Chiny i Stany Zjednoczone obaj budują obiekty testowe.

Tymczasem konsultacji opublikowanych przez rząd Wielkiej Brytanii w 2021 r doszli do wniosku, że wykorzystanie energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej jest wykonalne pod względem technicznym i ekonomicznym. Kusząco uznano, że to rozwiązanie technologiczne można zastosować w praktyce na 10 lat przed osiągnięciem przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu celu „zero netto” na rok 2050. Czy zatem kosmiczna energia słoneczna jest odpowiedzią na problemy klimatyczne? A jeśli tak, co stoi na przeszkodzie, aby stało się to rzeczywistością?

Kosmiczne marzenia

Oryginalna koncepcja energii słonecznej pochodzącej z kosmosu została wymyślona w 1968 roku przez Petera Glasera, amerykańskiego inżyniera z firmy konsultingowej Arthur D Little. Przewidywał umieszczenie ogromnego satelity w kształcie dysku na orbicie geostacjonarnej około 36,000 XNUMX km nad Ziemią (nauka 162 857). Satelita o średnicy około 6 km będzie zbudowany z paneli fotowoltaicznych zbierających światło słoneczne i przekształcających je w energię elektryczną. Energia ta zostałaby następnie zamieniona na mikrofale za pomocą wzmacniacza lampowego i przesłana na Ziemię za pośrednictwem nadajnika o średnicy 2 km.

To jedyna forma zielonej energii odnawialnej, która może zapewnić ciągłą, bazową energię elektryczną.

Chris Rodenbeck, Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych

Piękno mikrofal polega na tym, że nie są one pochłaniane przez chmury tutaj na Ziemi, więc w dużej mierze (choć nie całkowicie) przechodzą przez naszą atmosferę bez przeszkód. Glaser przewidział, że będą one zbierane przez stałą antenę o średnicy 3 km, gdzie będą przetwarzane na energię elektryczną dla sieci. „Chociaż wykorzystanie satelitów do konwersji energii słonecznej może nastąpić dopiero za kilka dekad” – napisał – „istnieje możliwość zbadania kilku aspektów wymaganej technologii jako wskazówki dla przyszłego rozwoju”.

Początkowa reakcja była pozytywna, przynajmniej w niektórych kręgach, kiedy NASA przyznała firmie Glasera, Arthur D Little, kontrakt na dalsze badania. Jednak na przestrzeni lat wnioski z kolejnych badań nad energią słoneczną wykorzystywaną w przestrzeni kosmicznej wahały się od ostrożnie pozytywnych do pozornie negatywnych.

Na przykład w 2015 roku technologia ta otrzymała jedynie letni werdykt w raporcie Instytutu Studiów Strategicznych (SSI) Akademii Wojennej Armii Stanów Zjednoczonych, w którym nie przytoczono „żadnych przekonujących dowodów” na to, że kosmiczna energia słoneczna może być ekonomicznie konkurencyjna w stosunku do wytwarzania energii na lądzie. SSI szczególnie skrytykowała „wątpliwe założenia” swoich zwolenników dotyczące wyniesienia w przestrzeń kosmiczną tak ogromnej orbitującej struktury. Mówiąc najprościej, w raporcie stwierdzono, że rakiet nośnych jest za mało, a te, które są dostępne, są zbyt drogie.

Jednak niezbyt pochlebny werdykt SSI został przedstawiony zwłaszcza firmom prywatnym SpaceX – zaczął przekształcać przemysł kosmiczny. Łącząc systemy rakietowe wielokrotnego użytku z metodą prób i błędów w badaniach i rozwoju, amerykańska firma w ciągu ostatniej dekady obniżyła koszt wystrzelenia na orbitę okołoziemską ponad 10-krotnie (na kilogram ładunku) ), z planami dalszego ograniczenia go o rząd wielkości. To, co SSI uznało za główne ograniczenie kosztów startu, w rzeczywistości nie stanowi już problemu.

Nie żeby koszt wyniesienia satelity w przestrzeń kosmiczną był jedynym punktem spornym. Oryginalna koncepcja Glasera była zwodniczo prosta i wiązała się z wieloma ukrytymi wyzwaniami. Po pierwsze, gdy satelita krąży wokół Ziemi, kąt między Słońcem, pojazdem a punktem na Ziemi, do którego wysyłana jest energia, stale się zmienia. Na przykład, jeśli na Ziemi wyszkolony zostanie satelita geostacjonarny, jego moduły fotowoltaiczne będą zwrócone w stronę Słońca w południe, ale o północy będą do niego odwrócone. Innymi słowy, satelita nie będzie generował energii elektrycznej przez cały czas.

Oryginalnym rozwiązaniem tego problemu było ciągłe obracanie paneli fotowoltaicznych względem nadajników mikrofalowych, które pozostały nieruchome. Panele fotowoltaiczne będą wtedy zawsze skierowane w stronę Słońca, a nadajniki zawsze będą zwrócone w stronę Ziemi. Rozwiązanie zaproponowane po raz pierwszy w 1979 r. przez NASA jako rozwinięcie pomysłów Glasera, zostało rozszerzone w propozycji z 2015 r. inżynierów z Chińskiej Akademii Technologii Kosmicznej w Pekinie, którzy nazwali go Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, czyli MR-SPS (rysunek 1).

Tymczasem Johna Mankinsa, były inżynier NASA, wymyślił konkurencyjne rozwiązanie w 2012 roku. Nazwany SPS Alfajego pomysł polegał na tym, aby panele słoneczne i nadajnik były nieruchome, ale wokół paneli zainstalowano liczne lustra (rysunek 2). Zwierciadła te, zwane heliostatami, mogłyby się obracać, w sposób ciągły przekierowując światło słoneczne na panele słoneczne, umożliwiając w ten sposób satelitowi dostarczanie energii do Ziemi bez przerwy.

Jednak według nich ani MR-SPS, ani SPS Alpha nie są zadowalające Iana Casha, dyrektor i główny inżynier w firmie International Electric Company Limited w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii. Cash, były projektant systemów elektronicznych w sektorze motoryzacyjnym, lotniczym i energetycznym, dziesięć lat temu zdecydował się na prywatny rozwój czystych źródeł energii na dużą skalę. Początkowo zwabiony potencjałem syntezy jądrowej, zniechęciły go „naprawdę trudne” problemy i szybko zdecydował się na kosmiczną energię słoneczną jako najbardziej praktyczną opcję.

W przypadku Casha problem zarówno z MR-SPS, jak i SPS Alpha polega na tym, że muszą one obracać niektóre części satelity względem innych. Każda część musiałaby zatem być fizycznie połączona z inną i wymagać ruchomego złącza przegubowego. Problem w tym, że w przypadku stosowania w satelitach takich jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna takie połączenia mogą ulec uszkodzeniu w wyniku zużycia. Cash podsumował, że pominięcie połączeń przegubowych zwiększyłoby niezawodność satelity zasilanego energią słoneczną. „Chciałem dowiedzieć się, czego potrzeba, aby mieć rozwiązanie półprzewodnikowe, które zawsze widzi Słońce i Ziemię” – mówi.

Do 2017 roku Cash już to rozpracował, a przynajmniej tak twierdzi. Jego Koncepcja CASSIOPeiA to satelita, który zasadniczo wygląda jak spiralne schody, w których panele fotowoltaiczne pełnią rolę „stopni”, a nadajniki mikrofalowe – dipole w kształcie prętów – „podstawami”. Jego sprytna helikalna geometria oznacza, że ​​CASSIOPeiA może odbierać i przesyłać energię słoneczną 24 godziny na dobę, bez ruchomych części (rysunek 3).

Cash, który zamierza czerpać korzyści z CASSIOPeiA poprzez licencjonowanie powiązanej własności intelektualnej, twierdzi, że jego koncepcja ma wiele innych zalet. Proponowany przez niego satelita może być zbudowany z setek (a być może tysięcy) mniejszych modułów połączonych ze sobą, przy czym każdy moduł wychwytuje energię słoneczną, przekształca ją elektronicznie w mikrofale, a następnie przesyła ją na Ziemię. Piękno tego podejścia polega na tym, że gdyby w jakikolwiek moduł uderzyło promieniowanie kosmiczne lub śmieci kosmiczne, jego awaria nie spowodowałaby zniszczenia całego systemu.

Kolejną zaletą CASSIOPeiA jest to, że elementy niefotowoltaiczne znajdują się stale w cieniu, co minimalizuje rozpraszanie ciepła – coś, co stanowi problem w bezkonwekcyjnej próżni kosmicznej. Wreszcie, ponieważ satelita jest zawsze zorientowany w stronę Słońca, może zajmować więcej typów orbit, w tym wysoce eliptyczne. Byłby wtedy czasami bliżej Ziemi, niż gdyby był geostacjonarny, co czyni go tańszym, ponieważ nie trzeba skalować projektu w oparciu o tak ogromny nadajnik.

Być może nie jest zaskoczeniem, że konkurenci Casha nie zgadzają się z jego oceną. Mankins, który obecnie mieszka przy Rozwiązania do zarządzania innowacjami Artemis w Kalifornii w USA zaprzecza, że ​​przegubowe heliostaty w jego koncepcji SPS-Alfa stanowią problem. Zamiast tego twierdzi, że stanowią one „proste rozszerzenie bardzo dojrzałej technologii”, która jest już wykorzystywana do skupiania światła słonecznego w celu podgrzewania płynów i napędzania turbin w „wieże słoneczne” tutaj na Ziemi. Uważa również, że podwójne zwierciadła wymagane przez CASSIOPeiA mogą stanowić problem, ponieważ muszą być bardzo precyzyjnie zbudowane.

„Bardzo szanuję Iana i jego pracę; jego nowsza koncepcja CASSIOPeiA jest jedną z kilku o bardzo podobnym charakterze, w tym SPS-Alpha” – mówi Mankins. „Nie zgadzam się jednak z jego oczekiwaniami, że CASSIOPeiA okaże się lepszy od SPS-Alpha”. Zdaniem Mankinsa najlepsze podejście do kosmicznej energii słonecznej będzie ostatecznie zależeć od wyników projektów rozwojowych, przy czym faktyczny koszt kilowatogodziny energii elektrycznej tutaj na Ziemi będzie kluczowym czynnikiem.

Skalowalne i efektowne

Zainteresowanie kosmiczną energią słoneczną wzrosło w następstwie tzw Raport rządu Wielkiej Brytanii za 2021 rok w tę technologię, co nie mogło być bardziej pozytywne w stosunku do tej koncepcji. Został on opracowany przez inżynierów z brytyjskiej firmy konsultingowej Frazer-Nash, który korespondował z wieloma ekspertami w dziedzinie inżynierii kosmicznej i energetyki – w tym z wynalazcami SPS Alpha, MR-SPS i CASSIOPeiA.

W raporcie stwierdzono, że satelita CASSIOPeiA o szerokości 1.7 km umieszczony na orbicie geostacjonarnej transmitujący promieniowanie słoneczne na odległość 100 km² szereg odbiorników mikrofalowych (lub „rekteny”) zlokalizowanych tutaj na Ziemi generowałby 2 GW mocy ciągłej. Odpowiada to produkcji dużej konwencjonalnej elektrowni. Jest też o wiele lepszy od, powiedzmy, tego istniejącego Farma wiatrowa London Array w ujściu Tamizy, które jest o około 25% większe, ale generuje średnią moc zaledwie 190 MW.

Bardziej uderzająca była jednak analiza ekonomiczna zawarta w raporcie. Na podstawie szacunków, że opracowanie i uruchomienie pełnowymiarowego systemu będzie kosztować 16.3 miliarda funtów oraz przy uwzględnieniu minimalnej stopy zwrotu z inwestycji na poziomie 20% rok do roku, stwierdzono, że kosmiczny system energii słonecznej mogłaby w ciągu swojego około 100-letniego okresu życia generować energię po cenie 50 funtów za MWh.

Frazer-Nash twierdzi, że jest to o 14–52% droższe niż obecna naziemna energia wiatrowa i słoneczna. Ale, co najważniejsze, jest o 39–49% tańszy niż biomasa, energia jądrowa czy najbardziej wydajne źródła energii gazowej, które jako jedyne są obecnie w stanie zapewnić nieprzerwaną moc w „obciążeniu podstawowym”. Autorzy raportu stwierdzili także, że ich ostrożne szacunki dotyczące kosztów „oczekuje się, że będą się zmniejszać w miarę postępu prac rozwojowych”.

„Jest niesamowicie skalowalny” – mówi Martina Soltau Frazera-Nasha, jednego z autorów. Biorąc pod uwagę, że poziom światła słonecznego w przestrzeni wokół Ziemi jest znacznie jaśniejszy niż na dole, uważa, że ​​każdy moduł słoneczny zebrałby 10 razy więcej, niż gdyby został zainstalowany na ziemi. W raporcie wskazano, że Wielka Brytania potrzebowałaby łącznie 15 satelitów – każdy z własną anteną – aby zaspokoić jedną czwartą zapotrzebowania kraju na energię do 2050 r. Każda antena mogłaby być zlokalizowana obok istniejącej farmy wiatrowej lub nawet w jej obrębie.

Jeżeli system byłby dalej zwiększany, mógłby w zasadzie pokryć ponad 150% całego światowego zapotrzebowania na energię elektryczną (chociaż stabilne dostawy energii zwykle wymagałyby szerokiego zestawu źródeł). Soltau dodaje, że kosmiczna energia słoneczna miałaby również znacznie mniejszy wpływ na środowisko niż ziemskie odnawialne źródła energii. Ślad węglowy byłby niewielki, zapotrzebowanie na minerały ziem rzadkich byłoby niewielkie i, w przeciwieństwie do turbin wiatrowych, nie byłoby hałasu ani wysokich widocznych konstrukcji.

Jeśli to wszystko brzmi zbyt dobrze, aby mogło być prawdziwe, może tak być. W raporcie Frazera-Nasha przyznano, że istnieje kilka „problemów rozwojowych”, w szczególności znalezienie sposobów na zwiększenie wydajności bezprzewodowego przesyłu energii. Chrisa Rodenbecka, inżynier elektryk z Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Waszyngtonie, twierdzi, że demonstracje tej technologii na dużą skalę są trudne do przeprowadzenia. Wymagają ciągłych inwestycji i ukierunkowanego postępu w komponentach elektronicznych, takich jak diody prostownicze dużej mocy, które nie są łatwo dostępne.

Na szczęście bezprzewodowa transmisja energii rozwija się od dziesięcioleci. W 2021 roku zespół Rodenbecka wysłał 1.6 kW energii elektrycznej na odległość 1 km, przy sprawności konwersji mikrofal na energię elektryczną wynoszącą 73%. Na pierwszy rzut oka nie robi to większego wrażenia niż najpotężniejsza jak dotąd demonstracja wykorzystania energii bezprzewodowej, która miała miejsce w 1975 r., kiedy pracownicy Laboratorium Goldstone NASA w Kalifornii przekształciło mikrofale 10 GHz w energię elektryczną ze sprawnością przekraczającą 80%. Co jednak najważniejsze, Rodenbeck zastosował mikrofale o niższej częstotliwości 2.4 GHz, które powodowałyby znacznie mniejsze straty atmosferyczne w przestrzeni kosmicznej.

Aby przeciwdziałać większej dyfrakcji (rozpraszaniu wiązki), która naturalnie występuje przy niższych częstotliwościach, badacze wykorzystali otaczający teren do „odbicia” mikrofal w kierunku układu odbiornika, poprawiając w ten sposób gęstość mocy o 70% (IEEE J. Microw. 2 28). „Podczas globalnej pandemii przeprowadziliśmy [test] dość szybko i tanio” – mówi Rodenbeck. „Mogliśmy osiągnąć więcej”.

Początkowa budowa będzie wymagała działającej całą dobę fabryki w kosmosie, z linią montażową przypominającą fabrykę samochodów na Ziemi.

Yang Gao z Uniwersytetu w Surrey

Rodenbeck optymistycznie ocenia perspektywy kosmicznej energii słonecznej. Podczas gdy synteza jądrowa, jego zdaniem, „kłóci się z podstawowymi problemami fizyki”, kosmiczna energia słoneczna – i bezprzewodowy transfer energii – po prostu „walczą z dolarami”. „[To] jedyna forma zielonej energii odnawialnej, która może zapewnić ciągłą, bazową energię elektryczną” – twierdzi Rodenbeck. „O ile nie nastąpi przełom techniczny w kontrolowanej syntezie jądrowej, wydaje się wysoce prawdopodobne, że ludzkość wykorzysta kosmiczną energię słoneczną do przyszłych potrzeb energetycznych”.

Nasuwa się jednak uwaga Yang Gao, inżynier kosmiczny na Uniwersytecie Surrey w Wielkiej Brytanii, który przyznaje, że „sama skala” proponowanego systemu kosmicznego „jest wręcz oszałamiająca”. Uważa, że ​​początkowa konstrukcja może wymagać „czynnej całą dobę fabryki w kosmosie, z linią montażową przypominającą fabrykę samochodów na Ziemi”, prawdopodobnie z wykorzystaniem autonomicznych robotów. Jeśli chodzi o utrzymanie obiektu po wybudowaniu, Gao twierdzi, że będzie to „wymagające”.

Dla Casha najważniejsza jest orbita, jaką zajmowałby satelita kosmiczny. Geostacjonarny satelita zasilany energią słoneczną byłby tak daleko od Ziemi, że do wydajnego przesyłania energii potrzebne byłyby ogromne i drogie nadajniki i prostowniki. Jednak wykorzystując wiele satelitów na krótszych, wysoce eliptycznych orbitach, mówi Cash, inwestorzy mogliby zrealizować mniejsze działające systemy w oparciu o koncepcję CASSIOPeiA za ułamek kapitału. Natomiast SPS Alpha i MR-SPS musiałyby być pełnowymiarowe od pierwszego dnia.

Czy wystarczy woli?

A jednak największe wyzwanie dla kosmicznej energii słonecznej może nie mieć charakteru ekonomicznego czy technicznego, ale polityczne. W świecie, w którym znaczna liczba ludzi wierzy w teorie spiskowe dotyczące technologii mobilnej 5G, przesyłanie gigawatów energii mikrofalowej z kosmosu na Ziemię może okazać się trudne do sprzedania – mimo że maksymalne natężenie wiązki wynosi zaledwie 250 W/m², czyli mniej niż jedną czwartą maksymalnego natężenia światła słonecznego na równiku.

W brytyjskim raporcie przyznano faktycznie, że jego zwolennicy muszą sprawdzić apetyt opinii publicznej i „nadzorować dyskusję” wokół kluczowych idei. Ale istnieją także rzeczywiste względy techniczne i społeczne. Gdzie będą zlokalizowane odbytnice? W jaki sposób satelity zostaną wycofane z eksploatacji po zakończeniu eksploatacji, nie tworząc dodatkowych śmieci kosmicznych? Czy w widmie mikrofalowym pozostanie miejsce na cokolwiek innego? Czy system będzie podatny na ataki?

W następstwie swojego raportu Rząd Wielkiej Brytanii uruchomił fundusz o wartości 3 milionów funtów aby pomóc przemysłowi w opracowaniu niektórych kluczowych technologii, a były sekretarz ds. biznesu Kwasi Kwarteng stwierdził, że kosmiczna energia słoneczna „może zapewnić niedrogie, czyste i niezawodne źródło energii dla całego świata”. Jest mało prawdopodobne, aby ta pula gotówki wystarczyła na przedsięwzięcie na taką skalę, dlatego Soltau pomógł założyć firmę o nazwie Przestrzeń słoneczna, która ma nadzieję zebrać początkowo 200 milionów funtów od prywatnych inwestorów.

Tymczasem to, co nazywa „współpracą chętnych”. Inicjatywa na rzecz Energii Kosmicznej, zgromadziła naukowców, inżynierów i urzędników z ponad 50 instytucji akademickich, firm i organów rządowych, którzy pracują pro bono aby pomóc w urzeczywistnieniu działającego systemu. SpaceX nie ma jeszcze na liście, ale Soltau twierdzi, że przykuł uwagę amerykańskiej firmy. „Są bardzo zainteresowani” – mówi.

Gotówka nie wątpi, że inwestycja się znajdzie. Naziemne źródła odnawialne nie są w stanie zapewnić nieprzerwanej energii przy obciążeniu podstawowym bez niezwykle kosztownej infrastruktury akumulatorów, podczas gdy energia jądrowa zawsze spotyka się z ostrym sprzeciwem. Cash uważa, że ​​kosmiczna energia słoneczna jest niezbędnym elementem tego miksu, jeśli mamy osiągnąć zero netto, a samo proszenie ludzi, aby zużywali mniej energii, jest „niebezpiecznym pomysłem”. Większość wojen toczy się z powodu postrzeganego braku zasobów” – mówi. „Jeśli nie zastanowimy się, jak utrzymać cywilizację w ruchu, alternatywa jest bardzo przerażająca”.