W dobie kurczących się zasobów paliw kopalnych oraz cywilizacyjnych zmagań z antropogenicznymi zmianami klimatu państwa nieustannie poszukują nowych źródeł czystej energii. Alternatywą wobec obecnie wykorzystywanych technologii może być produkcja energii elektrycznej przez panele słoneczne rozmieszczone w kosmosie, a następnie jej bezprzewodowe przesyłanie na Ziemię. Nakierowane na wdrożenie takiej technologii działania prowadzą dzisiaj USA, Chiny, Wielka Brytania, Japonia, Korea Południowa czy też Europejska Agencja Kosmiczna – pisze Paweł Ziemnicki, współpracownik BiznesAlert.pl.
Rozwijane obecnie nowatorskie koncepcje dotyczące wytwarzania energii przez orbitujące wokół Ziemi satelity, wyposażone w panele słoneczne, oraz jej przesyłania na powierzchnię planety sięgają m. in. do dziedzictwa XIX wieku. Nawiązują do idei Nikoli Tesli oraz Konstantina Ciołkowskiego. Pewne udane eksperymenty w tej materii Amerykanie przeprowadzili w latach 70-tych XX wieku z wykorzystaniem infrastruktury należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory.
Później jednak pomysł uległ swoistemu zamrożeniu na kilka kolejnych dekad. Wtedy jego szersze wdrożenie wydawało się bowiem mało realne, przede wszystkim ze względu na potencjalne kolosalne koszty. By go odkurzono zmienić musiały się możliwości w zakresie wykorzystania przestrzeni kosmicznej do rozmieszczania tam infrastruktury. Cena wyniesienia 1 kg ładunku na orbitę znacząco spadła w ostatnich latach.
Główne założenia
Rozwijana równolegle przez wyżej wymienione kraje koncepcja opiera się zasadniczo na tym samym założeniu. Produkcja energii elektrycznej odbywa się tutaj na pokładach grup znacznej wielkości satelitów, wyposażonych w panele fotowoltaiczne. Energia nie trafia jednak w tym przypadku do akumulatorów i nie jest na orbicie przechowywana. Zamiast tego, konwertuje się ją do postaci elektromagnetycznego promieniowania mikrofalowego.
Mikrofale są następnie przesyłane z satelity na Ziemię przy pomocy ukierunkowanej wiązki. Na powierzchni planety promieniowanie odbierane jest przez odpowiednio przystosowaną antenę, a następnie znów zamieniane w energię elektryczną, która następnie trafia do sieci.
Opis przykładowego rozwiązania można znaleźć na stronie spaceenergyinitiative.org.uk. W tym schemacie całość sytemu zasilają rozmieszczone na orbitach geosynchronicznych satelity kilometrowej wielkości. Każdy z nich wyposażony jest w zestawy lekkich paneli fotowoltaicznych. Pojedyncza tego typu jednostka generuje na orbicie energię elektryczną o mocy 3,4 GW na pokładzie satelity. Energia ta jest następnie zamieniana w promieniowanie mikrofalowe, co dzieje się z efektywnością na poziomie 85%.
Promieniowanie jest przesyłane z satelity na ziemię z użyciem mikrofal o częstotliwości 2,45 GHz, co sprawi, że ani sama ziemska atmosfera ani zawarta w niej wilgoć nie będą stanowić żadnej przeszkody dla promieniowania. Do odbiornika na powierzchni planety przesyłane jest netto 2,9 GW mocy. Naziemny odbiornik wysyła w kierunku satelity sygnał pilotujący po to, by prawidłowo nakierować wysyłaną z orbity wiązkę promieniowania mikrofalowego na antenę.
Jak wynika dalej z opisu dostępnego na wskazanej brytyjskiej witrynie: „Naziemna antena prostownicza (ang. rectifying antenna lub „rectenna”) przekształca energię elektromagnetyczną w prąd stały, a następnie poprzez falownik dostarcza [się] do sieci 2 GW netto prądu przemiennego.”
Wykorzystywane do produkcji energii w takim modelu satelity byłyby najpewniej obiektami o konstrukcji modułowej. Ich znaczne rozmiary powodują, że musiałyby one być w częściach wynoszone w przestrzeń kosmiczną i dopiero tam składane do swej finalnej postaci, z użyciem technologii robotycznych. Być może funkcjonowanie systemu będą również wspomagać jakiegoś rodzaju reflektory czy zwierciadła, przeznaczone do jak najbardziej optymalnego kierowania światła słonecznego na panele fotowoltaiczne satelitów.
Zalety systemu
Produkcja energii z użyciem paneli fotowoltaicznych orbitujących wokół Ziemi wykazuje potencjalnie bardzo konkretne przewagi. Przede wszystkim tego typu satelitarna elektrownia byłaby wystawiona na działanie promieni słonecznych niemalże przez całą dobę. Łączny okres chowania się satelity w cieniu Ziemi w skali dnia nie przekraczałby kilkudziesięciu minut. Oznacza to, że energia byłaby wytwarzana niemalże w trybie ciągłym, przez 99% roku. W tym przypadku odpada też problem związany z tym, że kiedy na danej półkuli Ziemi panuje zima, promienie słoneczne padają tam na instalacje fotowoltaiczne pod niekorzystnie niskim kątem, co wpływa negatywnie na efektywność działania instalacji.
Oprócz tego, że eliminujemy straty, które na Ziemi wiążą się z występowaniem wielogodzinnych nocy, to jeszcze zyskujemy pewność, że na pracę tego typu instalacji fotowoltaicznej nie będą negatywnie wpływały niesprzyjające warunki atmosferyczne – takie jak np. opady czy zachmurzenie. Światło słoneczne docierające do paneli słonecznych umieszczonych na satelicie jest ponadto mocniejsze z tego względu, że nie musi się ono przedzierać przez ziemską atmosferę, która rozprasza część światła gwiazdy na jego drodze do powierzchni naszej planety.
Kolejnym plusem jest minimalizowanie konieczności budowy i, co za tym idzie, kosztów, infrastruktury. Dzieje się tak, ponieważ energia z satelity nie musi być po pierwsze przechowywana na orbicie. Równocześnie z procesem jej produkcji może być bowiem transmitowana na Ziemię. Po drugie, co nawet ważniejsze, energię tę można przesyłać z przestrzeni kosmicznej kierunkowo, dokładnie tam, gdzie jest akurat potrzebna. W ten sposób trafi ona bezpośrednio do odległych obiektów czy zabudowań lub też do działających na wysuniętych, trudno dostępnych pozycjach jednostek bojowych. Można też łatwo i szybko przenosić niosącą energię wiązkę promieniowania mikrofalowego pomiędzy różnymi lokalizacjami na Ziemi – w zależności od potrzeb. Brak konieczności budowy sieci dystrybucyjnej zapewni oszczędność czasu i pieniędzy.
Nie bez znaczenia jest wreszcie wspomniany już plan na budowę orbitalnych elektrowni w sposób modułowy. To zagwarantuje skalowalność projektu, a także zredukuje ryzyko awarii całego systemu w przypadku usterki w jednym z elementów. Można jeszcze dodać, że przeniesienie tak rozległych obiektów jak farmy fotowoltaiczne w kosmos oznaczać będzie znaczną oszczędność terenów na Ziemi, które w przeciwnym razie zajęłaby infrastruktura dedykowana produkcji energii elektrycznej.
Kosmiczne panele fotowoltaiczne do tego rodzaju zastosowań kosmicznych będą lekkie, a zarazem składane czy też zwijane – tak, by można je było rozłożyć dopiero po umieszczeniu satelity na orbicie.
Warto przy tym jeszcze zaznaczyć, że promieniowanie elektromagnetyczne służące przesyłaniu energii na Ziemię nie będzie na tyle intensywne, by można je było wykorzystać jako broń. Eksperci uspokajają, że wykorzystywane w takim systemie promieniowanie mikrofalowe nie będzie również miało negatywnego wpływu na roślinność.
Potencjalne trudności
Implementacja orbitalnych elektrowni na szeroką skalę niesie za sobą wiele wyzwań i konieczność rozwiązania licznych problemów technicznych. Źródłem części z nich będą przede wszystkim rozmiary i złożoność przyszłych obiektów. Satelita służący produkcji energii elektrycznej może przykładowo mieć średnicę 1,7 km przy masie 2 tys. ton. Budowa infrastruktury będzie więc skomplikowana i kosztowna, a także czasochłonna. Potężne kosmiczne elektrownie będą wynoszone na orbitę w częściach i dopiero tam składane przez roboty. Mnogość elementów jakie trzeba będzie tam dostarczyć bardzo podbije koszty inwestycji, gdyż będzie się wiązało z koniecznością przeprowadzenia bardzo wielu startów rakiet czy też promów kosmicznych. Liczne starty kosmiczne będą z kolej negatywnie wpływać na środowisko naturalne na Ziemi. Ich organizacja może się ponadto rozciągnąć na lata, a nawet na dekady.
Patrząc szerzej na finansowy aspekt tego typu przedsięwzięcia należy pamiętać, że – podobnie jak ma to miejsce w przypadku wielu współczesnych komercyjnych konstelacji satelitarnych – ogromne pieniądze trzeba będzie zainwestować w tworzony system na samym początku, a zwrot z inwestycji pojawi się ze znacznym opóźnieniem. Ażeby kosmiczna elektrownia stała się opłacalna, musi produkować energię na naprawdę dużą skalę, a zatem musi mieć duże rozmiary, co pociąga za sobą komplikacje wymienione już powyżej.
Również infrastruktura naziemna będzie pokaźnych rozmiarów. Przykładowa antena do odbioru promieniowania mikrofalowego może mieć wymiary 6,7 km na 13 km. Z tego względu być może takie anteny trzeba będzie rozmieszczać na morzu. Jednak eksperci wskazują, że metr kwadratowy takiej anteny pozwoli potencjalnie pozyskiwać dla człowieka 2-3 razy więcej energii w stosunku do tej samej powierzchni zajętej przez klasyczne panele fotowoltaiczne, montowane na dachach domów czy naziemnych farmach. Co więcej, taka antena będzie mogła aktywnie funkcjonować 24 godziny na dobę.
Kiedy satelita służący produkcji energii elektrycznej zostanie już w pełni zmontowany i rozpocznie pracę na orbicie, dalej będzie narażony na szereg niebezpieczeństw. Jednym z nich jest możliwość zderzenia z kosmicznym śmieciem. Ponadto urządzenie będzie narażone na wysokie temperatury oraz na znaczne wahania temperatury, związane z wychładzaniem jednostki podczas jej przechodzenia przez cień Ziemi. Poza tym elektronika na pokładzie satelity będzie narażona na silne, mające na nią negatywny wpływ, promieniowanie kosmiczne oraz promieniowanie słoneczne (np. w postaci wiatru słonecznego). To będzie prowadzić do spadku sprawności i degradacji urządzenia, postępującej nawet do 8 razy szybciej niż ma to miejsce w przypadku paneli słonecznych pracujących na powierzchni planety. Po to, by sprostać temu wyzwaniu, orbitalne panele słoneczne należy budować z użyciem drogich materiałów, takich jak arsenek galu czy arsenek indu. To znów podbija koszty.
Niektórzy specjaliści podnoszą wreszcie kwestię znacznych strat jakie będą być może ponoszone przy przesyłaniu energii na dużą odległość, dzielącą satelitę od naziemnej anteny.
Jak widać kłopotów i znaków zapytania wciąż jest sporo. Jednak przynajmniej niektóre odpowiedzi i rozwiązania technologiczne jawią się już na horyzoncie. Trudności związane z czasem budowy systemów orbitalnych oraz wysokim kosztem startów rakiet pozwolą zredukować rozwijane dziś trendy New Space oraz szerokie zastosowanie rakiet wielokrotnego użytku, takich jak Falcon 9 od SpaceX Elona Muska.
Pomimo niedających się pominąć trudności i problemów, które trzeba rozwiązać, eksperci są zgodni, że produkcja energii ze z wykorzystaniem światła słonecznego i jej bezprzewodowe przesyłanie na Ziemię stanowi koncepcję o wielkim potencjale. W dalszej przyszłości ma to wręcz szanse stać się podstawowym dla ludzkości źródłem energii elektrycznej. Jak to się może potoczyć pokazują współczesne doświadczenia z budową megakonstelacji satelitarnych, takich jak Starlink.
Koszty infrastruktury pozwolą także zmniejszyć czynniki takie jak zastosowanie na satelitach nowoczesnych, wyjątkowo wydajnych i lekkich paneli słonecznych. Winny one ponadto być składane, tak, by dopiero w kosmosie można je było rozwijać do pełnych rozmiarów.
Nakłady na produkcję paneli fotowoltaicznych oraz innych potrzebnych podzespołów mogą z kolej zostać obniżone za sprawą automatyzacji procesów. Produkcja masowa przyczyni się do zmniejszenia kosztu jednostkowego dla niezbędnych elementów. Nie bez znaczenia jest także postępujący w szybkim tempie rozwój robotyki kosmicznej, co ułatwi składanie ogromnych orbitalnych elektrowni z tworzących je klocków, wcześniej oddzielnie wynoszonych przez rakiety czy wahadłowce.
Pionierzy
Jak zaznaczono już na początku, szereg krajów angażuje się w działania na rzecz przyszłego masowego pozyskiwania energii z orbitalnych elektrowni słonecznych. Wśród liderów na tym polu wskazać można m.in. Stany Zjednoczone. Wspólne prace w tej dziedzinie prowadzą w USA Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych (Air Force Research Laboratory – AFRL) oraz koncern Northrop Grumman (NG). Realizowany projekt nazywa się Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research Project (SSPIDR). Prace nad nim toczą się od 2018 roku, a wspiera je także Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej (Naval Research Laboratory – NRL).
Na program SSPIDR składa się szereg realizowanych w małej skali eksperymentów, służących doprowadzeniu poszczególnych niezbędnych technologii do odpowiedniego poziomu rozwoju. Kluczowym punktem projektu będzie wystrzelenie w 2025 r. satelity Arachne, który trafi na niską orbitę okołoziemską i będzie miał zademonstrować zdolności w zakresie produkcji energii z użyciem paneli słonecznych na orbicie, przekształcenie tej energii w promieniowanie elektromagnetyczne oraz przesłanie jej w takiej postaci na Ziemię. Na realizację projektu NG otrzymał 100 mln USD, do czego przedsiębiorstwo dołożyło jeszcze 15 mln USD z własnej kasy. Powodzenie przedsięwzięcia SSPIDR ma w założeniu w ciągu kilku najbliższych lat zaowocować wdrożeniem nowatorskich rozwiązań w zakresie elastycznego pozyskiwania energii przede wszystkim na potrzeby Sił Zbrojnych USA.
Northrop Grumman pracuje także nad podobnymi rozwiązaniami wspólnie z Caltech w wycenionym na 17,5 mln USD projekcie Space Solar Power Initiative. Jego celem jest opracowanie innowacji naukowych oraz technologicznych, które umożliwiłyby produkcję prądu ze światła słonecznego na orbicie i jego doprowadzenie do odbiorców na Ziemi przy zachowaniu poziomu kosztów podobnego do tego, jaki generują dzisiejsze, szeroko używane źródła energii.
Amerykanie robią też szereg testów z użyciem aparatury montowanej na pokładzie bezzałogowego wahadłowca X-37B. Próby te mają służyć przygotowaniu technologii na rzecz zbierania energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej i jej przekształcania w fale elektromagnetyczne – w szczególności badaniu wydajności tego drugiego procesu.
Rekomendacja przedstawiona we wspólnym raporcie AFRL oraz komórki Defense Innovation Unit Sił Kosmicznych USA jest jasna: Włączenie kosmicznej energii słonecznej do amerykańskiej agendy kosmicznej i klimatycznej może nie tylko zapewnić kolejny krok w kierunku [przeciwstawiania się] zmianom klimatycznym, ale także zapewnić nowatorskie sposoby zaangażowania przemysłu, społeczeństwa i partnerów międzynarodowych.
Podobnie zapatrują się na to władze Wielkiej Brytanii. Rząd w Londynie zdecydował się przeznaczyć 16 miliardów funtów na rozwój inicjatywy związanej z kosmiczną energetyką słoneczną. Zgodnie z planami Zjednoczonego Królestwa misja demonstracyjna w tej materii powinna zostać zrealizowana do roku 2030, zaś działający system powinien znaleźć się na orbicie do 2040 roku. Około 2045 roku znaczna część konsumowanej na Wyspach energii elektrycznej mogłaby już pochodzić z konstelacji prądotwórczych satelitów.
W oczach brytyjskich ekspertów dwa projekty satelitów do generowania energii na orbicie zyskały wstępne uznanie. Pierwszy z nich to SPS-Alpha od Mankins Space Technology (USA), drugi to CASSIOPeiA od International Electric Company (Wielka Brytania). Obydwa rozwiązania opierają się na platformach modułowych i są zoptymalizowane pod kątem produkcji masowej.
Nad swoimi pomysłami pracują również Chiny. W marcu 2021 r. w Państwie Środka powstał Komitet ds. „Space Solar Power”. Chińczycy mają haromonogram działania. Szykują się na misję demonstracyjną w 2028 r. W 2035 r. chcieliby już produkować w kosmosie 10 MW, zaś do roku 2050 umieścić tam opłacalną ekonomicznie „elektrownię” zdolną zapewnić produkcję energii na poziomie 2 GW.
Japończycy także są aktywni w omawianej dziedzinie. To właśnie naukowcy z Kraju Kwitnącej Wiśni zdołali w ramach swoich prób skutecznie zamienić 1,8 kW na promieniowanie mikrofalowe i skutecznie przesłać je do odbiornika odległego o 55 m.
Gruszek w popiele nie zasypia wreszcie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). W pierwszym kwartale br. Agencja przyznała dwa odrębne kontrakty na zbadanie pod kątem korzyści i kosztów dwóch odmiennych rozwiązań z zakresu Space-Based Solar Power (SBSP), chcąc potencjalnie znaleźć uzasadnienie biznesowe dla dalszego rozwijania każdego z tych rozwiązań. W styczniu 2022 padło też potwierdzenie, że ESA zapewni finansowanie dla 13 z 85 propozycji jakie padły w tym temacie od różnych podmiotów po zapytaniu ze strony Europejskiej Agencji Kosmicznej, jakie zostało upublicznione za pośrednictwem narzędzia Open Space Innovation Platform. Rozwój takiej energetyki ma dla Europy istotne znaczenie, bowiem intensywność światła słonecznego odbieranego przez panele fotowoltaiczne na orbicie jest ok. 11 razy wyższa niż ma to miejsce w przypadku instalacji naziemnych rozmieszczanych na lądowym obszarze Starego Kontynentu.
„Czy mamy już wyścig w zakresie satelitów na rzecz wykorzystania energii słonecznej?” – takie pytanie pojawia się na łamach portalu space.com w tekście z listopada 2021 roku Częściowej odpowiedzi udziela cytowany w tym samym artykule John Mankins, prezes Artemis Innovation Management Solutions: Uważam, że to powinna być współpraca pomiędzy przyjaciółmi i sojusznikami. Ale myślę, że jest bardzo prawdopodobne, że przerodzi się to w konkurowanie z Chinami. Im dłużej będziemy czekać jeśli chodzi pilność [zadań w zakresie] polityki dotyczącej zmian klimatycznych, tym bardziej prawdopodobne jest, że przegapimy tę łódź.
Nowa nadzieja
Nie ulega wątpliwości, że tego rodzaju słoneczne orbitalne źródło może zapewnić ogromne ilości energii. Ma to kolosalne znaczenie, ponieważ według specjalistów zapotrzebowanie ludzkości na energię wzrośnie do roku 2050 o około 50 procent. Liczba ludności na ziemskim globie osiągnie wtedy poziom 9,7 mld.
Obecnie ponad 80% wykorzystywanej przez człowieka energii powstaje za sprawą spalania węgla, ropy lub gazu. Bardzo negatywnie odbija się to na środowisku naturalnym, walnie przyczyniając się do postępującego globalnego ocieplenia.
Energia słoneczna pozyskiwana z orbity stanowi bardzo bezpieczne i czyste źródło prądu. Tego rodzaju systemy nie będą emitować gazów cieplarnianych i nie będą prawie wcale generować niebezpiecznych odpadów – a to ostatnie stanowi przykładowo poważny problem w przypadku elektrowni jądrowych. Czy ta innowacyjna, kosmiczna technologia pomoże europejskim państwom osiągnąć do 2050 roku zerową emisję netto gazów cieplarnianych?
Perzyński: Glony vs. elektrownia na orbicie. Rywalizacja mocarstw wraca do kosmosu
