Zamisel o zajemanju sončne svetlobe v vesolju in njenem prenosu na Zemljo je že dolgo znanstvena fantastika. Ampak kot Jon Cartwright odkriva, vlade po vsem svetu zdaj resno jemljejo "vesoljsko sončno energijo" kot možno rešitev za naše energetske potrebe
Teoretični fizik Freeman Dyson si je nekoč predstavljal nezemeljsko civilizacijo, ki je bila tako napredna, da je svojo matično zvezdo obdala z velikansko umetno lupino. Notranja površina tega "Dysonova krogla" zajemal sončno sevanje in ga prenašal v zbiralnice, kjer bi ga pretvoril v uporabno energijo. Takšna ideja ostaja znanstvena fantastika, toda ali bi lahko podoben princip uporabili v veliko manjšem obsegu, da bi izkoristili moč našega Sonca?
Navsezadnje je onkraj oblakov, v breznočnem ognju vesolja blizu Zemlje, več neprekinjene sončne energije, kot bi jo človeštvo realno potrebovalo v prihodnjih stoletjih. Zato je skupina znanstvenikov in inženirjev več kot 50 let sanjala o tehnikah za zajemanje te energije v vesolju in jo prenašala nazaj na tla.
"Vesoljska sončna energija", kot je znano, ima dve veliki prednosti pred tradicionalnimi metodami za izkoriščanje sonca in vetra. Prvič, postavitev satelita za zajemanje sončne svetlobe v vesolje pomeni, da nam ne bi bilo treba pokrivati velikih površin na Zemlji s sončnimi paneli in vetrnimi elektrarnami. Drugič, imeli bi zadostno zalogo energije, tudi ko bi bilo kljub lokalnim vremenskim razmeram oblačno ali bi veter pojenjal.
In to je težava s sončno energijo in vetrno energijo tukaj na Zemlji: nikoli ne moreta dosledno zadovoljiti naših potreb po energiji, tudi če se močno povečata. Raziskovalci z Univerze v Nottinghamu so lani ocenili, da bi morala država, če bi se Združeno kraljestvo popolnoma zanašalo na te obnovljive vire, shraniti več kot 65 teravatnih ur energije. To bi stalo več kot 170 milijard funtov, več kot dvakrat več od prihodnjega železniškega omrežja za visoke hitrosti v državi (Energije 14 8524).
Večina prizadevanj za uresničitev vesoljske sončne energije je na žalost naletela na na videz nerešljive tehnične in ekonomske težave. Toda časi se spreminjajo. Zaradi inovativne zasnove satelitov in veliko nižjih stroškov izstrelitve se vesoljska sončna energija nenadoma zdi realna rešitev. Japonska zapisala v zakon kot nacionalni cilj, medtem ko je Evropska vesoljska agencija je objavil razpis za zbiranje idej. Kitajska in ZDA oba gradita preskusne objekte.
Medtem, a posvetovanje, ki ga je vlada Združenega kraljestva objavila leta 2021 zaključil, da je vesoljska sončna energija tehnično in ekonomsko izvedljiva. Zanimivo je, da je računal, da bi to tehnološko rešitev lahko uporabili v praksi 10 let pred ciljem medvladnega foruma o podnebnih spremembah do leta 2050 "neto nič". Je torej vesoljska sončna energija odgovor na naše podnebne težave? In če je tako, kaj preprečuje, da bi postalo resničnost?
Vesoljske sanje
Prvotni koncept sončne energije iz vesolja se je leta 1968 zamislil Peter Glaser, ameriški inženir pri svetovalnem podjetju Arthur D Little. Predvideval je postavitev ogromnega satelita v obliki diska v geostacionarno orbito približno 36,000 km nad Zemljo (Znanost 162 857). Satelit s premerom približno 6 km bi bil sestavljen iz fotovoltaičnih panelov, ki bi zbirali sončno svetlobo in jo pretvarjali v električno energijo. To energijo bi nato s pomočjo cevnega ojačevalnika pretvorili v mikrovalovne pečice in jih posredovali na Zemljo prek oddajnika s premerom 2 km.
To je edina oblika zelene, obnovljive energije s potencialom za zagotavljanje stalne osnovne električne energije.
Chris Rodenbeck, ameriški pomorski raziskovalni laboratorij
Lepota mikrovalov je v tem, da jih oblaki tukaj na Zemlji ne absorbirajo, zato bi večinoma (čeprav ne povsem) neovirano prehajale skozi naše ozračje. Glaser je predvideval, da jih zbira fiksna antena s premerom 3 km, kjer bi jih pretvorili v električno energijo za omrežje. "Čeprav bo uporaba satelitov za pretvorbo sončne energije morda oddaljena še nekaj desetletij," je zapisal, "je mogoče raziskati več vidikov zahtevane tehnologije kot vodilo za prihodnji razvoj."
Začetni odziv je bil vsaj v nekaterih četrtinah pozitiven, saj je NASA Glaserjevemu podjetju Arthur D Little podelila pogodbo za nadaljnje študije. Z leti pa so se zaključki poznejših študij vesoljske sončne energije gibali od previdno pozitivnih do navzven negativnih.
1 satelit za sončno energijo z več rotacijskimi spoji (MR-SPS)
Ta koncept za vesoljsko sončno energijo temelji na prvotnih predlogih iz leta 1968, ki jih je zasnoval ameriški inženir Peter Glaser. Znan kot Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite (MR-SPS), so ga leta 2015 izumili Hou Xinbin in drugi na Kitajski akademiji za vesoljsko tehnologijo v Pekingu. 10,000 ton težak satelit, ki je širok približno 12 km, bi se gibal po geostacionarni orbiti približno 36,000 km nad Zemljo, pri čemer bi sončno svetlobo zbirali sončni kolektorji in jo pretvorili v mikrovalove, ki jih centralni oddajnik oddaja na Zemljo. Da bi omogočili neprekinjen prenos energije do nas, se lahko fotovoltaični paneli obrnejo proti Soncu glede na osrednji oddajnik, ki je vedno obrnjen proti Zemlji. Sončne plošče in oddajnik so povezani z enim pravokotnim odrom. Za razliko od konkurenčnih modelov se koncept MR-SPS ne zanaša na ogledala.
Leta 2015 je na primer tehnologija prejela le mlačno sodbo v poročilu Inštituta za strateške študije (SSI) vojaškega kolidža ameriške vojske, ki je navedel "nobenega prepričljivega dokaza", da bi lahko bila vesoljska sončna energija ekonomsko konkurenčna zemeljski proizvodnji energije. SSI je še posebej kritiziral "vprašljive predpostavke", ki so jih podali njegovi zagovorniki v zvezi s tem, da bi v vesolje spravili tako ogromno strukturo v orbiti. Preprosto povedano, poročilo navaja, da je nosilnih raket premalo, tiste, ki so na voljo, pa so predrage.
Toda manj kot sijajna razsodba SSI je prišla pred zasebna podjetja – zlasti SpaceX – začela preoblikovati vesoljsko industrijo. Z združevanjem raketnih sistemov za večkratno uporabo z odnosom poskusov in napak do raziskav in razvoja je ameriško podjetje v zadnjem desetletju znižalo stroške izstrelitve v bližnjo zemeljsko orbito za več kot faktor 10 (na kilogram tovora). ), z načrti za nadaljnje zmanjšanje za red velikosti. Kar je SSI menil za glavno omejitev glede stroškov lansiranja, dejansko ni več problem.
Ne, da so bili stroški spravitve satelita v vesolje edina sporna točka. Glaserjev prvotni koncept je bil varljivo preprost, s številnimi skritimi izzivi. Za začetek, ko satelit kroži okoli Zemlje, se kot med Soncem, plovilom in točko na Zemlji, kamor je poslana energija, nenehno spreminja. Na primer, če je geostacionarni satelit usposobljen za Zemljo, bo njegova fotovoltaika opoldne obrnjena proti Soncu, opolnoči pa s hrbtom proti Soncu. Z drugimi besedami, satelit ne bi ves čas proizvajal elektrike.
Prvotna rešitev tega problema je bila nenehno vrtenje fotovoltaičnih panelov glede na mikrovalovne oddajnike, ki bi ostali fiksni. Fotonapetostni paneli bi bili tako vedno usmerjeni proti Soncu, medtem ko bi bili oddajniki vedno obrnjeni proti Zemlji. Rešitev, ki jo je leta 1979 prvič predstavila NASA kot razvoj Glaserjevih idej, so leta 2015 v predlogu inženirjev s Kitajske akademije za vesoljsko tehnologijo v Pekingu še razširili rešitev, ki so jo poimenovali Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite oz. MR-SPS (slika 1).
Medtem, John Mankins, nekdanji Nasin inženir, je leta 2012 izumil konkurenčno rešitev. Sinhronizirano SPS Alfa, je bila njegova zamisel ohraniti sončne kolektorje in oddajnik pritrjene, vendar namestiti številna ogledala okoli panelov (slika 2). Ta zrcala, znana kot heliostati, bi se lahko vrtela, nenehno preusmerjala sončno svetlobo na sončne kolektorje in tako omogočala, da satelit brez prekinitve oskrbuje Zemljo z energijo.
2 SPS-Alfa
V konceptu SPS-Alpha, ki ga je izumil nekdanji Nasin inženir John Mankins v ZDA, je glavno telo satelita – solarne plošče in oddajnik – pritrjeno in vedno obrnjeno proti Zemlji. 8000-tonski satelit, nameščen v geostacionarni orbiti, je sestavljen iz niza modulov v obliki diska, ki pretvarjajo sončno svetlobo v elektriko prek fotovoltaike in nato to energijo prenašajo kot mikrovalovi. S tem nizom s premerom 1700 m je povezan ločen, večji niz zrcal v obliki kupole, ki se neodvisno obračajo tako, da odbijajo sončno svetlobo na niz, odvisno od tega, kje je Sonce glede na Zemljo v geostacionarni orbiti.
Niti MR-SPS niti SPS Alpha pa glede na to nista zadovoljiva Ian Cash, direktor in glavni inženir pri International Electric Company Limited v Oxfordshiru v Veliki Britaniji. Nekdanji oblikovalec elektronskih sistemov v avtomobilskem, vesoljskem in energetskem sektorju se je Cash pred desetletjem posvetil zasebnemu razvoju čistih, obsežnih virov energije. Sprva ga je premamil potencial jedrske fuzije, odvrnile so ga njene "res težke" težave in hitro se je odločil za vesoljsko sončno energijo kot najbolj praktično možnost.
Za Cash je težava pri MR-SPS in SPS Alpha ta, da morata nekatere dele satelita zasukati glede na druge. Vsak del bi torej moral biti fizično povezan z drugim in bi potreboval zgibni sklep, ki se premika. Težava je v tem, da lahko takšni spoji pri uporabi na satelitih, kot je Mednarodna vesoljska postaja, odpovejo zaradi obrabe. Če bi izpustili zgibne spoje, bi bil satelit na sončno energijo bolj zanesljiv, je zaključil Cash. "Želel sem ugotoviti, kaj bi bilo potrebno za rešitev v trdnem stanju, ki vedno vidi Sonce in Zemljo," pravi.
Do leta 2017 je Cash to ugotovil, vsaj tako trdi. Njegovo Koncept CASSIOPeiA je satelit, ki je v bistvu videti kot spiralno stopnišče, pri čemer so fotonapetostne plošče "stopnice", mikrovalovni oddajniki - paličasti dipoli - pa "dvižni vodi". Njegova pametna vijačna geometrija pomeni, da lahko CASSIOPeiA sprejema in oddaja sončno energijo 24 ur na dan, brez gibljivih delov (slika 3).
Cash, ki namerava s CASSIOPeiA pridobiti dobiček z licenciranjem povezane intelektualne lastnine, trdi, da ima njegov koncept številne druge koristi. Njegov predlagani satelit je lahko sestavljen iz več sto (in morda na tisoče) manjših modulov, povezanih skupaj, pri čemer vsak modul zajema sončno energijo, jo elektronsko pretvarja v mikrovalovne pečice in jih nato prenaša na Zemljo. Lepota tega pristopa je, da če bi kateri koli modul zadeli kozmični žarki ali vesoljski odpadki, njegova okvara ne bi izključila celotnega sistema.
Druga prednost CASSIOPeiA je, da so nefotovoltaične komponente stalno v senci, kar zmanjšuje odvajanje toplote – nekaj, kar je problem v vakuumu brez konvekcije v prostoru. Končno, ker je satelit vedno usmerjen proti Soncu, lahko zasede več vrst orbit, vključno s tistimi, ki so zelo eliptične. Takrat bi bil včasih bližje Zemlji, kot če bi bil geostacionaren, zaradi česar je cenejši, saj vam ni treba spreminjati zasnove na podlagi tako velikega oddajnika.
3 KASIOPeja
a Predlog CASSIOPeiA za vesoljsko sončno energijo, ki ga je razvil Ian Cash pri International Electric Company Limited v Združenem kraljestvu, predvideva satelit z maso do 2000 ton, ki sedi v geosinhroni ali eliptični orbiti okoli Zemlje. b Sončna svetloba zadene dve ogromni eliptični zrcali (rumeni diski), vsako s premerom do 1700 m, ki ležita pod kotom 45° na vijačni niz kar 60,000 sončnih plošč (sivo). Te plošče zbirajo sončno svetlobo in jo pretvarjajo v mikrovalovne pečice na določeni frekvenci, ki se nato prenašajo na zemeljsko postajo na Zemlji s premerom približno 5 km. Ta postaja pretvori mikrovalove v električno energijo za omrežje. Prednost vijačne geometrije je, da so lahko mikrovalovi nenehno usmerjeni proti Zemlji, ne da bi potrebovali zglobne spoje, ki v vesoljskih okoljih pogosto odpovejo. c Mikrovalovi se namesto tega usmerjajo s prilagoditvami relativne faze trdnih dipolov.
Morda ni presenetljivo, da se Cashovi konkurenti ne strinjajo z njegovo oceno. Mankins, ki ima zdaj sedež v Rešitve za upravljanje inovacij Artemis v Kaliforniji, ZDA, izpodbija, da so zgibni heliostati v njegovem konceptu SPS-Alpha problem. Namesto tega trdi, da so "preprosta razširitev [a] zelo zrele tehnologije", ki se že uporablja za koncentracijo sončne svetlobe za ogrevanje tekočin in pogon turbin v "sončni stolpi" tukaj na Zemlji. Prav tako meni, da bi dvojna zrcala, ki jih zahteva CASSIOPeiA, lahko bila problem, saj morajo biti zelo natančno izdelana.
»Iana in njegovo delo zelo cenim; njegov novejši koncept CASSIOPeiA je eden izmed več, ki so si po značaju zelo podobni, vključno s SPS-Alpha,« pravi Mankins. "Vendar se ne strinjam z njegovim pričakovanjem, da se bo CASSIOPeiA izkazala za boljšo od SPS-Alpha." Za Mankins bo najboljši pristop k vesoljski sončni energiji na koncu odvisen od rezultatov razvojnih projektov, pri čemer bo dejanski strošek za kilovatno uro električne energije tukaj na Zemlji ključni dejavnik.
Razširljiv in osupljiv
Zanimanje za vesoljsko sončno energijo je dobilo dodaten zagon po Poročilo britanske vlade za leto 2021 v tehnologijo, ki bi bila težko bolj pozitivna glede koncepta. Pripravili so ga inženirji svetovalne družbe s sedežem v Veliki Britaniji Frazer-Nash, ki si je dopisoval s številnimi strokovnjaki za vesoljsko inženirstvo in energijo – vključno z izumitelji SPS Alpha, MR-SPS in CASSIOPeiA.
Poročilo ugotavlja, da 1.7 km širok satelit CASSIOPeiA v geostacionarni orbiti prenaša sončno sevanje na 100 km2 niz mikrovalovnih sprejemnikov (ali "rectenna") tukaj na Zemlji bi ustvaril 2 GW neprekinjene moči. To je enakovredno izhodu iz velike konvencionalne elektrarne. Je tudi veliko boljši od, recimo, obstoječega Vetrna elektrarna London Array v izlivu Temze, ki je za okoli 25 % večji, a proizvede povprečno moč komaj 190 MW.
Bolj osupljiva pa je bila ekonomska analiza poročila. Na podlagi ocene, da bi razvoj in izstrelitev sistema v polni velikosti stala 16.3 milijarde GBP, in ob upoštevanju minimalne stopnje donosa naložbe v višini 20 % medletno, je ugotovil, da vesoljski sistem sončne energije bi lahko v svoji približno 100-letni življenjski dobi proizvedel energijo po 50 GBP na MWh.
Frazer-Nash pravi, da je to 14–52 % dražje od trenutne zemeljske vetrne in sončne energije. Vendar pa je kritično to, da je 39–49 % cenejši od biomase, jedrske energije ali najučinkovitejših virov plina, ki so edini, ki trenutno lahko nudijo neprekinjeno napajanje »osnovne obremenitve«. Avtorji poročila so tudi povedali, da naj bi se njihova konzervativna ocena stroškov "z napredovanjem razvoja zmanjšala".
"Je neverjetno razširljiv," pravi Martin Soltau Frazer-Nash, enega od avtorjev. Ker je raven sončne svetlobe v vesolju okoli Zemlje veliko svetlejša kot spodaj, meni, da bi vsak solarni modul zbral 10-krat več, kot bi ga, če bi bil nameščen na tleh. Poročilo ocenjuje, da bi Združeno kraljestvo potrebovalo skupaj 15 satelitov – vsak s svojo rekteno – za zagotovitev četrtine energetskih potreb države do leta 2050. Vsaka rektena bi lahko bila nameščena ob ali celo znotraj obstoječe vetrne elektrarne.
Če bi shemo še povečali, bi načeloma lahko zagotovila več kot 150 % vsega svetovnega povpraševanja po električni energiji (čeprav bi prožna oskrba z energijo običajno narekovala široko kombinacijo virov). Vesoljska sončna energija, dodaja Soltau, bi imela tudi veliko manjši vpliv na okolje kot zemeljski obnovljivi viri energije. Ogljični odtis bi bil majhen, povpraševanja po mineralih redkih zemelj bi bilo malo in v nasprotju z vetrnimi turbinami ne bi bilo hrupa ali visokih vidnih struktur.
Če se vse to sliši predobro, da bi bilo res, bi lahko bilo. Poročilo Frazer-Nash priznava več "razvojnih težav", predvsem iskanje načinov za učinkovitejši brezžični prenos energije. Chris Rodenbeck, inženir elektrotehnike iz ameriškega mornariškega raziskovalnega laboratorija v Washingtonu DC, pravi, da je težko doseči obsežne predstavitve tehnologije. Zahtevajo trajne naložbe in ciljno usmerjen napredek v elektronskih komponentah, kot so visokozmogljive usmerniške diode, ki niso na voljo.
Na srečo brezžični prenos energije že desetletja napreduje. Leta 2021 je Rodenbeckova ekipa poslala 1.6 kW električne energije na razdaljo 1 km, s 73-odstotno učinkovitostjo pretvorbe mikrovalovne pečice v električno energijo. Na prvi pogled je to manj impresivno kot najmočnejša predstavitev brezžične energije doslej, ki se je zgodila leta 1975, ko je osebje pri Nasin laboratorij Goldstone v Kaliforniji pretvoril 10 GHz mikrovalove v elektriko z izkoristkom nad 80 %. Bistveno pa je, da je Rodenbeck uporabil mikrovalovne pečice z nižjo frekvenco 2.4 GHz, ki bi utrpele veliko manj atmosferskih izgub v vesolju.
Da bi preprečili večji uklon (širjenje žarka), ki se naravno pojavi pri nižjih frekvencah, so raziskovalci izkoristili okoliški teren, da bi "odbili" mikrovalove proti nizu sprejemnikov in s tem izboljšali gostoto moči za 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). "[Test] smo opravili dokaj hitro in poceni med svetovno pandemijo," pravi Rodenbeck. "Lahko bi dosegli več."
Začetna gradnja bo zahtevala 24-urno tovarno v vesolju, s tekočim trakom kot tovarna avtomobilov na Zemlji.
Yang Gao, Univerza Surrey
Rodenbeck je optimističen glede možnosti vesoljske sončne energije. Medtem ko je jedrska fuzija, trdi, "nalega na osnovne probleme fizike", vesoljska sončna energija - in brezžični prenos energije - le "naleti na dolarje". "[Je] edina oblika zelene, obnovljive energije s potencialom za zagotavljanje stalne osnovne električne energije," trdi Rodenbeck. "Če ne pride do tehničnega preboja [v] nadzorovani jedrski fuziji, se zdi zelo verjetno, da bo človeštvo izkoristilo vesoljsko sončno energijo za prihodnje energetske potrebe."
Vendar prihaja opozorilo Yang Gao, vesoljski inženir na Univerzi v Surreyju v Združenem kraljestvu, ki priznava, da je "že sam obseg" predlaganega vesoljskega sistema "prav osupljiv". Verjame, da bo začetna konstrukcija morda zahtevala "24/7 tovarno v vesolju, s tekočim trakom kot tovarna avtomobilov na Zemlji", verjetno z uporabo avtonomnih robotov. Kar zadeva vzdrževanje objekta, ko bo zgrajen, Gao pravi, da bo to "zahtevno".
Za Casha je ključnega pomena orbita, ki bi jo zasedel vesoljski satelit. Geostacionarni satelit za sončno energijo bi bil tako daleč od Zemlje, da bi za učinkovit prenos energije potreboval ogromne in drage oddajnike in rektenne. Toda z izkoriščanjem prednosti več satelitov na krajših, zelo eliptičnih orbitah, pravi Cash, bi vlagatelji lahko realizirali manjše delujoče sisteme na konceptu CASSIOPeiA z delčkom kapitala. SPS Alpha in MR-SPS bi morala biti v polni velikosti od prvega dne.
Je dovolj volje?
In vendar največji izziv za vesoljsko sončno energijo morda ni gospodarski ali tehnični, temveč politični. V svetu, kjer precejšnje število ljudi verjame v teorije zarote okoli mobilne tehnologije 5G, bi se sevanje gigavatov mikrovalovne moči iz vesolja na Zemljo lahko izkazalo za težko prodajno – kljub temu, da je največja jakost žarka komaj 250 W/m2, manj kot četrtina največje sončne intenzivnosti na ekvatorju.
Dejansko poročilo Združenega kraljestva priznava, da morajo njegovi zagovorniki preizkusiti javni apetit in "kurirati pogovor" o ključnih idejah. Obstajajo pa tudi resnični tehnični in družbeni vidiki. Kje bodo nameščene rektene? Kako bodo sateliti ob koncu življenjske dobe razgrajeni, ne da bi dodali vesoljsko smeti? Ali bo v mikrovalovnem spektru ostal prostor za kaj drugega? In ali bo sistem ranljiv za napade?
Po svojem poročilu je Vlada Združenega kraljestva je predstavila sklad v višini 3 milijonov funtov za pomoč industriji pri razvoju nekaterih ključnih tehnologij, pri čemer je nekdanji poslovni sekretar Kwasi Kwarteng dejal, da bi vesoljska sončna energija "lahko zagotovila cenovno dostopen, čist in zanesljiv vir energije za ves svet". Malo verjetno je, da bo ta denar pripomogel k podvigu takšnega obsega, zato je Soltau pomagal ustanoviti podjetje, imenovano Space Solar, ki upa, da bo od zasebnih vlagateljev zbrala začetnih 200 milijonov funtov.
Medtem, kar imenuje "sodelovanje voljnih", Pobuda za vesoljsko energijo, je zbral znanstvenike, inženirje in javne uslužbence iz več kot 50 akademskih ustanov, podjetij in državnih organov, ki delujejo pro bono pomagati uresničiti delujoč sistem. SpaceX še ni na seznamu, vendar Soltau trdi, da je pritegnil pozornost ameriškega podjetja. "Zelo jih zanima," pravi.
Cash ne dvomi, da se bo naložba našla. Kopenski obnovljivi viri energije ne morejo zagotavljati neprekinjenega napajanja osnovne obremenitve brez izjemno drage baterijske infrastrukture, medtem ko se jedrska energija vedno sooča z močnim nasprotovanjem. Vesoljska sončna energija je po Cashovem prepričanju bistven del mešanice, če želimo doseči ničelno neto energijo, in preprosto zahtevati ljudi, naj porabijo manj energije, je "nevarna ideja". Večina vojn se je bojevala zaradi zaznanega pomanjkanja virov,« pravi. "Če ne pogledamo, kako ohraniti civilizacijo naprej, je alternativa zelo strašljiva."
