Przenieś to w dół

W kosmosie słońce zawsze świeci jasno. Żadne chmury nie blokują promieni słonecznych i nie ma nocy. Kolektory słoneczne zamontowane na orbitującym satelicie mogłyby zatem generować energię przez 24 godziny na dobę, 365 dni w roku. Gdyby tę moc można było przekazać na Ziemię, problemy energetyczne świata mogłyby zostać rozwiązane na zawsze.

Satelity energii słonecznej (SPS) zostały pierwotnie zaproponowane jako rozwiązanie kryzysu naftowego lat 70. przez czesko-amerykańskiego inżyniera Petera Glasera, a następnie przez Arthur D. Little. Glaser wyobraził sobie układy ogniw słonecznych o powierzchni 50 kilometrów kwadratowych rozmieszczone na satelitach orbitujących 36 000 kilometrów nad stałymi punktami wzdłuż równika. Satelita na tej geosynchronicznej wysokości zajmuje 24 godziny, aby okrążyć Ziemię, a zatem pozostaje nieruchomy nad tym samym punktem na Ziemi przez cały czas.

Pomysł był elegancki. Ogniwa fotowoltaiczne na satelicie przekształcałyby światło słoneczne w prąd elektryczny, który z kolei zasilałby pokładowy generator mikrofal. Wiązka mikrofalowa przemierza przestrzeń i atmosferę. Na ziemi układ anten prostowniczych lub rektenen zbierałby te mikrofale i pobierał energię elektryczną do użytku lokalnego lub do dystrybucji za pośrednictwem konwencjonalnych sieci energetycznych.

Technologia, zgodnie z pierwotnymi założeniami, stanowiła zniechęcające przeszkody techniczne. Wydajne przesyłanie energii elektrycznej z satelity na orbicie geosynchronicznej wymagałoby anteny nadawczej na pokładzie satelity o średnicy około jednego kilometra i anteny odbiorczej na ziemi o średnicy około 10 kilometrów. Projekt na taką skalę zadziwia umysł; rządowe agencje finansujące unikały inwestowania ogromnych sum w projekt, którego opłacalność była tak niejasna. NASA i Departament Energii, które sponsorowały wstępne badania projektowe, straciły zainteresowanie pod koniec lat siedemdziesiątych.

Jednak w ciągu ostatnich kilku lat branża komunikacyjna ogłosiła projekty satelitarne, które sugerują, że nadszedł czas, aby ponownie przyjrzeć się idei satelity zasilanego energią słoneczną. Na początku przyszłego stulecia roje satelitów komunikacyjnych będą krążyć wokół Ziemi na małej wysokości, przekazując głos, wideo i dane do najbardziej odległych miejsc na Ziemi. Satelity te będą przekazywać sygnały komunikacyjne do Ziemi za pomocą wiązek mikrofal. Transmisja energii elektrycznej za pomocą wiązki mikrofal została zademonstrowana już w 1963 roku, a projekcja mocy i danych wzdłuż tej samej wiązki mikrofalowej mieści się w stanie techniki. Dlaczego nie wykorzystać tej samej wiązki do przenoszenia energii elektrycznej?

Nowe satelity komunikacyjne będą orbitować na wysokości zaledwie kilkuset mil. Zamiast unosić się nad punktem na równiku, satelity o niskiej orbicie okrążają kulę ziemską w zaledwie 90 minut, śledząc ścieżki oscylujące wokół równika, wznoszące się i opadające aż do 86 stopni szerokości geograficznej. Ponieważ znajdują się bliżej powierzchni Ziemi, kolektory słoneczne na satelicie mogą mieć średnicę kilkuset metrów, a nie 10 kilometrów. A ponieważ generowane przez nie wiązki mikrofalowe rozchodzą się znacznie mniej niż te z satelitów geosynchronicznych, naziemne prostokąty mogą być również odpowiednio mniejsze i tańsze. Dzięki wykorzystaniu tych flot satelitów komunikacyjnych — i wykorzystaniu ich nadajników i odbiorników mikrofalowych, stacji naziemnych oraz systemów sterowania — technologia energii słonecznej może stać się ekonomicznie opłacalna.

Niska orbita okołoziemska stwarza jednak własne trudności. Ponieważ tak szybko okrążają planetę, satelity o niskiej orbicie muszą posiadać wyrafinowane, sterowane komputerowo systemy regulacji celu wiązki mikrofalowej tak, aby wylądowała na stacji odbiorczej. Satelity te będą musiały korzystać z zaawansowanych systemów elektronicznych, zwanych układami fazowanymi, aby stale przekierowywać wiązkę wychodzącą.

Energia dla Rozwoju

Zapotrzebowanie na energię słoneczną z kosmosu może być nadzwyczajne. Według niektórych szacunków do 2050 roku na świecie będzie mieszkać 10 miliardów ludzi, z czego ponad 85 procent w krajach rozwijających się. Wielkie pytanie: jak najlepiej zaspokoić rosnące potrzeby energetyczne ludzkości przy jak najmniejszym negatywnym wpływie na środowisko?

Szukasz taniej premiery

Jednym z ważnych aspektów planowania mocy kosmicznej jest koszt umieszczenia satelity na orbicie. W tej chwili umieszczenie obiektu w kosmosie kosztuje tysiąc razy więcej niż przelot przez kraj komercyjnym samolotem, mimo że te dwa zadania wymagają mniej więcej tej samej ilości energii – około 10 kilowatogodzin na kilogram ładunku. Na dodatkowy koszt składają się dwa czynniki: armia inżynierów i naukowców potrzebnych do udanego startu w kosmos oraz praktyka wyrzucania dużej części pojazdu startowego po każdym locie.

Koszty wystrzeliwania prawdopodobnie spadną jednak w miarę wzrostu zapotrzebowania na regularne wynoszenie dużych ilości materiału w przestrzeń kosmiczną: im częściej używany jest system wystrzeliwania, tym niższy koszt użycia. Ponadto NASA poszukuje nowej generacji pojazdów nośnych wielokrotnego użytku. Agencja niedawno sponsorowała konkurs wśród wykonawców z branży lotniczej na pojazd kosmiczny, który może działać podobnie do linii lotniczych. Zwycięzcą został Lockheed Martin Skunk Works, legendarni innowatorzy w projektowaniu samolotów, od U-2 do myśliwca Stealth. Lockheed Martin planuje zbudować i przetestować warty miliarda dolarów X-33 wielokrotnego użytku w kształcie klina – połowę rozmiaru i jedną ósmą masy pojazdu nośnego o nazwie Venture Star, który miałby zastąpić prom kosmiczny do przewożenia ładunku na niską orbitę. Docelowy koszt wystrzelenia to 2200 dolarów za kilogram-jedna dziesiąta tego, co wystrzelenie wahadłowca. Przy tej cenie energia kosmiczna może stać się opłacalna, jeśli satelity pełnią podwójną funkcję przekaźników komunikacyjnych i źródeł energii słonecznej.

Satelita energii słonecznej powinien szybko zwrócić energię potrzebną do wyniesienia go na orbitę. Zacznij od konserwatywnego założenia, że ​​technologia satelitów wykorzystujących energię słoneczną wyprodukuje 0,1 kilowata energii elektrycznej na ziemi na kilogram masy na orbicie. W takim przypadku wydatek energetyczny wynoszący 10 kilowatogodzin na kilogram potrzebny do wyniesienia satelity na orbitę zwróciłby się w postaci energii elektrycznej już po 100 godzinach, czyli niecałych pięciu dniach.
Jednym ze sposobów na obniżenie kosztów startu jest użycie nadmuchiwanej konstrukcji jako kolektora słonecznego. Takie postępowanie zmaksymalizowałoby powierzchnię kolektora – co jest ważne dla gromadzenia jak największej ilości energii słonecznej – bez obciążania pojazdu nośnego dużym ciężarem. Nieszczelne kolektory słoneczne można złożyć w zwartą przestrzeń na pokładzie statku kosmicznego; na orbicie gaz z pojemnika pod ciśnieniem nadmuchałby strukturę.

Balony w kosmosie to stara historia. W rzeczywistości satelita z lat 60-tych znany jako Echo I był balonem używanym do odbijania fal radiowych z powrotem na Ziemię. NASA bada obecnie wykonalność nadmuchiwanych konstrukcji w kosmosie dla anten, osłon przeciwsłonecznych i paneli słonecznych, chociaż nie wyraźnie dla systemów satelitarnych wykorzystujących energię słoneczną. Ważnym kamieniem milowym eksperymentu było pomyślne wdrożenie przez astronautów promu kosmicznego Endeavour w maju 1996 roku Spartan Inflatable Antenna Experiment – ​​14-metrowej anteny napompowanej przez pojemnik z azotem na orbicie.

Nie jest to tak duży krok od takiego eksperymentu do satelity zbierającego energię słoneczną, który mógłby być montowany na orbicie z napompowanych segmentów. Gdyby NASA nadała priorytet badaniom nad nadmuchiwanymi strukturami kosmicznymi, baza wiedzy umożliwiająca tworzenie opłacalnych satelitów energetycznych o małej masie mogłaby szybko ewoluować.

Krok po kroku

Początkowo energia słoneczna przekazywana z kosmosu byłaby wykorzystywana tylko do dostarczania minimalnej energii elektrycznej potrzebnej do obsługi elektroniki stacji odbiorczej na ziemi – podobnie jak prąd liniowy zasila konwencjonalne telefony. Ostatecznie satelity przesłałyby większe ilości energii, co mogłoby dostarczyć megawatów energii elektrycznej, która w znacznym stopniu przyczyniłaby się do zasilenia wsi, a nawet miasta.

Skalowanie do wyższych poziomów mocy byłoby proste i wymagałoby po prostu rozmieszczenia w kosmosie większej ilości miejsca do zbierania energii słonecznej. Energia byłaby przesyłana za pośrednictwem infrastruktury nadajników i odbiorników, które będą następnie wykorzystywane w systemach łączności satelitarnej. Pod tym względem transmisja mikrofalowa ma zdecydowaną przewagę nad konwencjonalnymi przewodowymi metodami przesyłania mocy. System mikrofalowy, który jest w 80 procentach wydajny przy wysyłaniu 1 kilowata, nadal będzie w 80 procentach wydajny przy wysyłaniu 1 megawata. Zasadniczo różni się to od linii przesyłowej energii elektrycznej, w której do przenoszenia większej mocy potrzebne są grubsze i droższe przewody. Jeśli przez kabel zostanie doprowadzona zbyt duża moc, izolacja zostanie stopiona.

Niektórzy obawiają się, że sieć satelitów wykorzystujących energię słoneczną może zamienić atmosferę w jedną wielką kuchenkę mikrofalową, gotującą wszystko, co znajdzie się na drodze wiązki. W rzeczywistości, proponowane przez nas intensywności mikrofal byłyby o rzędy wielkości poniżej progu, przy którym obiekty zaczynają się nagrzewać. Ludzie byliby narażeni na działanie mikrofal na poziomie porównywalnym z mikrofalami i telefonami komórkowymi. Podczas gdy niektórzy krytycy spekulują, że mikrofale stanowią nietermiczne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego, nie ma wiarygodnych dowodów epidemiologicznych na niekorzystne skutki działania mikrofal na tak niskim poziomie. Wyższe poziomy promieniowania mikrofalowego byłyby wykrywane w prostokątach, na których skupiają się wiązki, ale płoty i znaki ostrzegawcze mogą wyznaczać obszary potencjalnego zagrożenia. Ale zgodnie z naszymi obliczeniami, natężenia mikrofal nawet na obwodzie prostokątnej mieściłyby się w zakresie obecnie uważanym za bezpieczny przez Administrację Bezpieczeństwa i Higieny Pracy.

Większym potencjalnym problemem jest współdzielenie ograniczonych częstotliwości w widmie mikrofalowym. Motorola znalazła się na przykład pod ostrzałem, ponieważ jej planowany system będzie wykorzystywał częstotliwości w zakresie od 1,616 do 1,626 gigaherca, co prawie pokrywa się z częstotliwością 1,612 gigaherca, do której dostrajają się astrofizycy podczas zbierania danych o kosmosie. Radioastronomowie obawiają się, że zakłócenia z satelity słonecznego przeważą stosunkowo słabe sygnały, które starają się wykryć. Motorola obiecuje ograniczyć przenikanie swoich wiązek komunikacyjnych do niszy częstotliwości radioastronomów, ale problem podkreśla fakt, że widmo mikrofalowe jest ograniczonym zasobem, zazdrośnie strzeżonym przez użytkowników komercyjnych i non-profit. Alokacją widma należy zająć się szybko i skutecznie, aby uniknąć wywłaszczania technologii energii kosmicznej przed jej narodzinami.

To, czy satelity energii słonecznej staną się rzeczywistością, ostatecznie zależeć będzie od chęci firm telekomunikacyjnych i energetycznych do wejścia na rynek energii kosmicznej. Jak dotąd żadna branża nie wykazała dużego zainteresowania. Ale z drugiej strony są w większości nieświadomi możliwości komercyjnych. Trzeba wiedzieć, że istnieje możliwość wyboru. Trzydzieści lat temu satelity komunikacyjne były nowością. Dziesięć lat temu nikt nie słyszał o Internecie.

Pewne jest to, że obecne dążenie do deregulacji doprowadziło do szamotaniny ze strony telekomunikacji, komputerów, telewizji kablowej i usług użyteczności publicznej, aby wejść na swoje rynki. Niektóre firmy energetyczne chcą wejść w branżę telekomunikacyjną, aby skorzystać z ogromnych inwestycji w przewody i kable, które docierają praktycznie do każdego budynku w kraju. Równie sensowne jest zaproponowanie firmom komunikacyjnym wejścia do branży energetycznej. W praktyce konsorcja firm energetycznych i telekomunikacyjnych mogą wspólnie opracowywać proponowaną technologię.

Żaden pojedynczy element tej technologii nie stanowi fundamentalnej przeszkody. Fizyka ogniw fotowoltaicznych i generowanie mikrofal są dobrze poznane. Jednak przejście do następnego etapu będzie wymagało zademonstrowania, że ​​wszystkie elementy tego systemu mogą ze sobą współpracować: panele słoneczne, anteny mikrofalowe z układem fazowym, stacje odbiorcze, które oddzielają sygnały danych od wiązek mocy oraz komputery, które informują satelity, gdzie na ziemi mają skierować wiązki. NASA mogłaby ogromnie przyspieszyć ten rozwój, umieszczając na orbicie prototyp satelity słonecznego.

Korzyści są zbyt duże, aby odejść. Sieć satelitów energii słonecznej, taka jak ta, którą proponujemy, mogłaby dostarczyć Ziemi od 10 do 30 bilionów watów energii elektrycznej, co wystarczyłoby na zaspokojenie potrzeb rasy ludzkiej przez następne stulecie. Satelity energii słonecznej oferują zatem wizję, w której produkcja energii przenosi się z powierzchni Ziemi, umożliwiając wszystkim życie na bardziej zielonej planecie. Zastanów się nad implikacjami filozoficznymi: ludzkość nie potrzebuje już dłużej widzieć siebie uwięzionego na statku kosmicznym Ziemi z ograniczonymi zasobami. Moglibyśmy wykorzystać nieograniczone zasoby kosmosu, zachowując planetę jako bezcenny zasób bioróżnorodności.

ukryć