To Tydzień Kosmiczny na Energy.gov. Zwiedzamy Układ Słoneczny (i nie tylko), aby podkreślić wkład Departamentu Energii i naszych laboratoriów krajowych w amerykański program kosmiczny. Zaglądaj do nas codziennie w tym tygodniu, aby obejrzeć nowe filmy, interaktywne grafiki, linie czasu i nie tylko – i zadawaj pytania na czat na Twitterze dotyczący ciemnej energii, który odbędzie się w najbliższy piątek, 7 marca. Użyj hashtagu #SpaceWeek, aby dołączyć do rozmowy na Twitterze, Facebooku, Google+ i Instagramie.
Nie można zbierać energii słonecznej w nocy. Cóż, przynajmniej nie na Ziemi. Ponieważ jest to Tydzień Kosmosu, pomyśleliśmy, że warto przyjrzeć się pewnemu obiecującemu, ale futurystycznemu pomysłowi, który może zmienić oblicze energetyki słonecznej: Space-Based Solar Power (SBSP). Chociaż Departament Energii nie prowadzi aktywnych badań nad SBSP, mamy nadzieję, że poświęcisz chwilę, aby dowiedzieć się o tej odległej koncepcji.
Pomysł przechwytywania energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej w celu wykorzystania jej jako energii na Ziemi istnieje od początku ery kosmicznej. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat naukowcy z całego świata oraz kilku badaczy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Departamentu Energii pokazali, jak najnowsze osiągnięcia technologiczne mogą urzeczywistnić tę koncepcję.
Na Ziemi moc słoneczna jest znacznie ograniczona przez noc, zachmurzenie, atmosferę i sezonowość. Około 30 procent całego przychodzącego promieniowania słonecznego nigdy nie dociera do poziomu ziemi. W przestrzeni kosmicznej słońce zawsze świeci, nachylenie Ziemi nie przeszkadza w gromadzeniu energii i nie ma atmosfery, która zmniejszałaby intensywność promieni słonecznych. To sprawia, że umieszczenie paneli słonecznych w przestrzeni kosmicznej jest kuszącą możliwością. Dodatkowo, SBSP może być używany do uzyskania niezawodnej i czystej energii dla ludzi w odległych społecznościach na całym świecie, bez polegania na tradycyjnej sieci do dużej lokalnej elektrowni.
Jak to działa?
Samodzielnie składające się satelity są wystrzeliwane w przestrzeń kosmiczną wraz z reflektorami i mikrofalowym lub laserowym nadajnikiem mocy. Reflektory lub nadmuchiwane lustra rozprzestrzeniają się na rozległym obszarze przestrzeni kosmicznej, kierując promieniowanie słoneczne na panele słoneczne. Panele te przekształcają energię słoneczną w mikrofalową lub laserową i przesyłają nieprzerwaną moc na Ziemię. Na Ziemi, stacje odbierające energię zbierają wiązkę i dodają ją do sieci elektrycznej.
Dwa najczęściej omawiane projekty SBSP to duży, głębiej umieszczony w przestrzeni kosmicznej mikrofalowy satelita nadawczy i mniejszy, bliższy laserowy satelita nadawczy.
Mikrofalowe satelity nadawcze
Mikrofalowe satelity nadawcze krążą wokół Ziemi na orbicie geostacjonarnej (GEO), około 35 000 km nad powierzchnią Ziemi. Projekty mikrofalowych satelitów nadawczych są masywne, z reflektorami słonecznymi o rozpiętości do 3 km i wadze ponad 80 000 ton metrycznych. Byłyby one zdolne do generowania wielu gigawatów mocy, wystarczających do zasilenia dużego miasta w USA.
Długa długość fali mikrofal wymaga długiej anteny i pozwala na przesyłanie mocy przez atmosferę ziemską, deszcz czy słońce, przy bezpiecznym, niskim poziomie natężenia, niewiele silniejszym niż południowe słońce. Ptaki i samoloty nie zauważyłyby wiele z niczego przelatującego przez ich ścieżki.
Oszacowany koszt uruchomienia, montażu i obsługi satelity GEO wyposażonego w mikrofale jest w dziesiątkach miliardów dolarów. Prawdopodobnie potrzeba by było aż 40 startów, aby wszystkie niezbędne materiały dotarły w kosmos. Na Ziemi, prostenna używana do zbierania wiązki mikrofalowej miałaby średnicę od 3 do 10 km, co stanowi ogromny obszar ziemi i wyzwanie do zakupu i rozwoju.
Laserowe satelity nadawcze
Laserowe satelity nadawcze, opisane przez naszych przyjaciół z LLNL, orbitują na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) na wysokości około 400 km nad powierzchnią Ziemi. Waży w mniej niż 10 ton metrycznych, ten satelita jest ułamek wagi jego odpowiednika mikrofalowego. Ten projekt jest również tańszy; niektórzy przewidują, że satelita SBSP wyposażony w laser będzie kosztował prawie 500 milionów dolarów za uruchomienie i obsługę. Możliwe byłoby wystrzelenie całego samoskładającego się satelity w jednej rakiecie, co drastycznie zmniejszyłoby koszty i skróciło czas produkcji. Ponadto, dzięki zastosowaniu nadajnika laserowego, wiązka będzie miała średnicę tylko około 2 metrów, zamiast kilku kilometrów, co jest drastycznym i ważnym zmniejszeniem.
Aby to umożliwić, system promieniowania słonecznego satelity wykorzystuje pompowany diodą laser alkaliczny. Po raz pierwszy zademonstrowany w LLNL w 2002 roku — i obecnie nadal rozwijany — laser ten byłby wielkości stołu kuchennego, i wystarczająco potężny, aby przesyłać energię na Ziemię z bardzo wysoką wydajnością, ponad 50 procent.
Pomimo, że satelita ten jest znacznie lżejszy, tańszy i łatwiejszy do rozmieszczenia niż jego odpowiednik mikrofalowy, poważne wyzwania pozostają. Idea laserów o dużej mocy w kosmosie może wywołać obawy przed militaryzacją przestrzeni kosmicznej. Temu wyzwaniu można by zaradzić poprzez ograniczenie kierunku, w którym system laserowy mógłby przekazywać swoją moc.
Przy jego mniejszym rozmiarze, istnieje odpowiednio mniejsza pojemność około 1 do 10 megawatów na satelitę. Dlatego też satelita ten byłby najlepszy jako część floty podobnych satelitów, używanych razem.
Można by powiedzieć, że SBSP jest bardzo odległy lub jest to pie pie in the sky (kalambury zamierzone) — i w dużej mierze miałbyś rację. Ale wiele technologii już istnieje, aby uczynić to wykonalnym, a wiele nie jest daleko w tyle. Podczas gdy Departament Energii nie rozwija obecnie żadnych technologii SBSP, wiele z pozostałych technologii potrzebnych do SBSP może zostać opracowanych niezależnie w nadchodzących latach. I choć nie znamy przyszłości energii pozyskiwanej z kosmosu, jesteśmy podekscytowani widząc, jak pomysły takie jak ten nabierają rozpędu (dobra, ostatni kalambur, obiecuję).