Kako bi sončne farme v vesolju lahko prenašale elektriko na Zemljo?

Pa vendarle je to nekaj, kar bi se lahko zgodilo do leta 2035, vsaj tako pravi Martin Soltau, sopredsednik pobude za vesoljsko energijo (SEI). SEI dela na projektu, imenovanem Cassiopeia, ki načrtuje postavitev konstelacije zelo velikih satelitov v visoko Zemljino orbito. Nekaj podobnega sta naredila Elon Musk in njegovo podjetje SpaceX, ki sta v nizko Zemljino orbito postavila konstelacijo satelitov za zagotavljanje satelitskega interneta Starlink. V primeru projekta Cassiopeia bodo posebni sateliti zbirali sončno energijo in jo prenašali nazaj na Zemljo.

Kako bi vesoljna sončna tehnologija delovala?

Projekt je dobil ime po 2.000-tonskem satelitu, ki se nahaja 36.000 kilometrov nad Zemljo. Satelit bi zbiral sončno energijo z uporabo velikih in lahkih zrcal, vsako s premerom do 1.700 metrov, postavljenih pod kotom 45° na vijačni niz do 60.000 sončnih plošč, ki bi proizvajale elektriko.

»Sončna energija iz vesolja ima dve veliki prednosti pred tradicionalnimi metodami: po eni strani postavitev satelita za zajemanje sončne svetlobe v vesolje pomeni, da nam ne bi bilo potrebno pokrivati velikih zemeljskih površin s sončnimi paneli,« je povedal Ian Cash, vodja IECL, inženir in avtor knjige CASSIOPeiA – Nova paradigma za vesoljsko sončno energijo, objavljene v reviji Acta Astronautica. »Po drugi strani pa ne bi bili odvisni od lokalnih vremenskih pogojev in tega, ali je dan ali noč.«

Razvoj in zagon projekta bi stal 16,3 milijarde funtov. Ob upoštevanju minimalne stopnje donosa naložbe v višini 20 % na leto poročilo ugotavlja, da bi lahko vesoljski sistem sončne energije v svoji življenjski dobi 100 let proizvedel energijo za 48 ameriških dolarjev na MWh. Če bi razsežnost projekta povečali, bi lahko zagotovil več kot 150 % celotnega povpraševanja po električni energiji.

Potencial tehnologije je brezmejen

Soltau je mnenja, da je potencial projekta skoraj neskončen. »Teoretično bi lahko do leta 2050 oskrboval ves svet z vso potrebno energijo. V orbiti je dovolj prostora za solarne satelite, sama zaloga energije, ki jo premore Sonce, je ogromna. Ozek pas okoli geostacionarne Zemljine orbite prejme več kot 100-krat večjo količino energije na leto, kot jo po napovedih človeštvo lahko porabi do leta 2050.«

Na začetku 2022 je vlada Združenega kraljestva napovedala 3 milijone funtov financiranja za projekte vesoljskih sončnih elektrarn (SBSP). Odločitev so sprejeli po izvedeni inženirski študiji, ki jo je izvedlo svetovalno podjetje Frazer-Nash. Študija je pokazala, da je omenjena tehnologija izvedljiva in vredna raziskovanja.

Pobuda za vesoljsko energijo (SEI) upa, da bo prejela večino razpoložljivega financiranja. Sateliti bi bili sestavljeni iz več sto tisoč majhnih in enako velikih modulov, proizvedenih v tovarnah na Zemlji, v vesolju pa bi jih sestavljali avtonomni roboti, ki bi skrbeli tudi za popravila in vzdrževanje. Sončna energija, ki bi jo zbrali sateliti, bi se pretvorila v visokofrekvenčne radijske valove in prenesla na usmerniško anteno na Zemlji, ki bi te valove pretvorila v elektriko.

Vsak satelit bi lahko v omrežje oddal približno 3,4 GW energije (80 % učinkovitost), kar pomeni, da bi bil v teoriji vsak satelit po izhodni moči primerljiv z jedrsko elektrarno. Zemeljska atmosfera sončno svetlobo razprši, preden pridemo z njo v kontakt, v vesolju pa svetloba nima podobnih motenj. Zaradi tega lahko vesoljska sončna plošča zbere občutno več energije kot tista na Zemlji.

To ni edini projekt s tovrstnim visokoletečim ciljem. V Združenih državah Amerike tako na primer Raziskovalni laboratorij letalskih sil (AFRL) razvija nekatere kritične tehnologije, potrebne za tak sistem. Projekt operira pod oznako Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research oziroma SSPIDR. Tehnologije v razvoju vključujejo izboljšanje učinkovitosti sončnih celic, pretvorbo sončne energije v radijske valove in oblikovanje svetlobnega snopa, pa tudi zmanjšanje velikih temperaturnih nihanj na komponentah vesoljskih plovil in ustvarjanje zasnov za namestitvene strukture.

Razvoj poteka po načrtih

Konec lanskega leta je razvojna ekipa uspešno demonstrirala nove komponente za t. i. »sendvič ploščico«, ki se uporablja za pretvorbo sončne energije v radijske valove. Mikrovalovni žarki so sprva lahko zaskrbljujoči, vendar so raziskave dokazale, da so žarki učinkoviti in – kar je bolj pomembno – varni za ljudi in živali.

»Žarek je mikrovaloven, kot na primeri pri Wi-Fi-ju, ki ga ves čas uporabljamo. Je nizke intenzivnosti, približno ene četrtine intenzivnosti opoldanskega sonca,« pravi Soltau. »Če bi bili na ekvatorju v puščavi, bi dobili približno 1000 W na kvadratni meter, v primeru vesoljnih sončnih celic bi šlo za četrtino te moči, torej približno 250 W na kvadratni meter. V tem pogledu je tehnologija varna.«

Čeprav je veliko največjih ovir že odpravljenih, še vedno obstaja kar nekaj morebitnih težav.

»Moj osebni pogled na to je, da radi mislimo, da je tehnologija zrela, vendar še ni povsem pripravljena, da bi se lahko lotili tako zapletenega projekta,« pravi dr. Jovana Radulovič, predavateljica termodinamike na Univerzi v Portsmouthu, ki se je specializirala za sisteme obnovljivih virov energije.

Poudarja, da bo izstrelitev velikega števila sončnih kolektorjev v vesolje velik finančni podvig in glede na to, da bi lahko vsak projekt zahteval na stotine izstrelitev, bi s tem ustvarili tudi ogromno ogljikovega dioksida. Obstaja pa razlog za optimizem. Okoljska analiza projekta Cassiopeia, ki jo je opravila Univerza v Strathclydu, je pokazala, da bi lahko bil ogljični odtis na splošno, vključno z izstrelitvijo, le polovica zemeljskega sončnega odtisa, približno 24 gramov CO₂ na kilovatno uro.

Martin Soltau pravi, da se ekonomski položaj ves čas izboljšuje. »Stroški lansiranja satelitov so padli za 90 % in še naprej padajo, kar je izrednega pomena.«

»Prišlo je tudi do hitrega napredka pri oblikovanju satelitov za sončno energijo, tako da so veliko bolj modularni, kar zagotavlja odpornost in nižje proizvodne stroške. Napredovali smo tudi v robotiki in avtonomnih sistemih.«

Z zgolj omejenim financiranjem vlade Združenega kraljestva SEI upa, da bo privabil zasebne investitorje za nekatere vključene tehnologije. Vendar dr. Radulovič opozarja, da je predlagana časovnica morda preveč optimistična. »Mislim, da z znatnimi naložbami in osredotočenim prizadevanjem na tem področju ni razloga, da sistema ne bi mogli vzpostaviti in izvajati kot manjši pilotni projekt v bližnji prihodnosti.«

»Toda postavitev nečesa v tako velikem obsegu – govorimo o več kilometrov dolgi sončni postavitvi – bi trajala bistveno dlje časa.«