Kmalu bi lahko pridobivali energijo iz sončne energije, pridobljene v vesolju

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Matteo Ceriotti, višji predavatelj vesoljskih sistemov na Univerzi v Glasgowu, piše v Pogovor.

Zamisel o vesoljski sončni energiji (SBSP) – z uporabo satelitov za zbiranje sončne energije in njeno »prenašanje« na zbirne točke na Zemlji – obstaja vsaj od poznih šestdesetih let prejšnjega stoletja. Kljub velikemu potencialu koncept ni pridobil dovolj pozornosti zaradi stroškov in tehnoloških ovir.

Ali je nekatere od teh težav zdaj mogoče rešiti? Če je tako, bi lahko SBSP postal pomemben del svetovnega prehoda s fosilnih goriv na zeleno energijo.

Energijo sonca že pridobivamo. Zbira se neposredno s pomočjo sončne energije, ki jo na splošno imenujemo. To vključuje različne tehnologije, kot sta fotovoltaika (PV) in sončno-termalna energija. Sončna energija se zbira tudi posredno: vetrna energija je primer tega, saj vetrič nastaja zaradi neenakomernega segrevanja ozračja s soncem.

Toda te zelene oblike proizvodnje električne energije imajo omejitve. Na kopnem zavzamejo veliko prostora in so omejeni z razpoložljivostjo svetlobe in vetra. Sončne elektrarne na primer ne zbirajo energije ponoči in je manj zberejo pozimi in v oblačnih dneh.

PV v orbiti ne bo omejen z nastopom noči. Satelit v geostacionarni orbiti (GEO) – krožni orbiti okoli 36,000 km nad Zemljo – je v celem letu izpostavljen Soncu več kot 99 % časa. To mu omogoča proizvodnjo zelene energije 24/7.

GEO je idealen, ko je treba energijo poslati iz vesoljskega plovila v zbiralnik energije ali zemeljsko postajo, ker tukaj sateliti mirujejo glede na Zemljo. Menijo, da je GEO na voljo 100-krat več sončne energije od ocenjenih svetovnih potreb človeštva po energiji do leta 2050.

Prenos energije, zbrane v vesolju, na tla zahteva brezžični prenos energije. Uporaba mikrovalov za to zmanjša izgubo energije v ozračju, tudi v oblačnem nebu. Mikrovalovni žarek, ki ga pošilja satelit, bo usmerjen proti zemeljski postaji, kjer antene pretvarjajo elektromagnetne valove nazaj v elektriko. Zemeljska postaja bo morala imeti premer 5 km ali več na visokih zemljepisnih širinah. Vendar je to še vedno manjše od površin zemlje, potrebnih za proizvodnjo enake količine energije s pomočjo sonca ali vetra.

Razvijajoči se koncepti
Od prvega koncepta Petra Glaserja leta 1968 so bili predlagani številni modeli.

Pri SBSP se energija večkrat pretvori (svetloba v elektriko, mikrovalovi v elektriko), nekaj pa se izgubi kot toplota. Da bi v omrežje vnesli 2 gigavata (GW) moči, bo moral satelit zbrati približno 10 GW energije.

Nedavni koncept, imenovan CASSIOPeiA, je sestavljen iz dveh 2 km širokih vodljivih reflektorjev. Ti odbijajo sončno svetlobo v niz sončnih kolektorjev. Ti oddajniki moči s premerom približno 1,700 metrov so lahko usmerjeni proti zemeljski postaji. Ocenjuje se, da bi lahko satelit imel maso 2,000 ton.

Druga arhitektura, SPS-ALPHA, se od CASSIOPeiA razlikuje po tem, da je sončni kolektor velika struktura, ki jo tvori ogromno majhnih, modularnih reflektorjev, imenovanih heliostati, od katerih se lahko vsak neodvisno premika. Izdelujejo se množično zaradi znižanja stroškov.

Leta 2023 so znanstveniki iz Caltecha izstrelili MAPLE, satelitski eksperiment majhnega obsega, ki je Caltechu oddajal majhno količino energije. MAPLE je dokazal, da se tehnologija lahko uporablja za prenos energije na Zemljo.

Zemlja

Nacionalni in mednarodni interes
SBSP bi lahko igral ključno vlogo pri doseganju cilja Združenega kraljestva o ničelni neto vrednosti do leta 2050 – vendar trenutna strategija vlade tega ne vključuje. Neodvisna študija je pokazala, da bi lahko SBSP do leta 10 proizvedel do 2050 GW električne energije, kar je četrtina trenutnega povpraševanja Združenega kraljestva. SBSP zagotavlja varno in stabilno oskrbo z energijo.

Prav tako bo ustvaril več milijard funtov vredno industrijo s 143,000 delovnimi mesti po vsej državi. Evropska vesoljska agencija trenutno ocenjuje izvedljivost SBSP s svojo pobudo SOLARIS. Temu bi lahko sledil popoln razvojni načrt za tehnologijo do leta 2025.

Druge države so nedavno napovedale, da nameravajo do leta 2025 prenesti energijo na Zemljo in v naslednjih dveh desetletjih preiti na večje sisteme.

Ogromen satelit
Če je tehnologija pripravljena, zakaj se SBSP ne uporablja? Glavna omejitev je ogromna količina mase, ki jo je treba izstreliti v vesolje, in njena cena na kilogram. Podjetja, kot sta SpaceX in Blue Origin, razvijajo težke nosilne rakete, s poudarkom na ponovni uporabi delov teh vozil po tem, ko so že poletela. To lahko zniža stroške podviga za 90 %.

Tudi z uporabo SpaceX-ovega vozila Starship, ki lahko v nizko zemeljsko orbito izstreli 150 ton tovora, bo satelit SBSP zahteval na stotine izstrelitev. Nekatere komponente, kot so dolgi strukturni nosilci – strukturni elementi, zasnovani za dolge razdalje – bi lahko 3D-natisnili v vesolju.

Izzivi in tveganja
Misija SBSP bo zahtevna – tveganja pa je treba še v celoti oceniti. Medtem ko je proizvedena elektrika popolnoma zelena, je vpliv onesnaževanja zaradi stotin izstrelitev težkih dvigal težko predvideti.

Poleg tega bo nadzorovanje tako velike strukture v vesolju zahtevalo precejšnje količine goriva, kar vključuje inženirje, ki delajo z včasih zelo strupenimi kemikalijami. Na fotovoltaične sončne kolektorje bo vplivala degradacija, kar bo sčasoma zmanjšalo učinkovitost od 1 % do 10 % na leto. Vendar bi lahko servisiranje in polnjenje goriva uporabili za podaljšanje življenjske dobe satelita skoraj za nedoločen čas.

Žarek mikrovalov, ki je dovolj močan, da doseže tla, bi lahko tudi poškodoval vse, kar bi se znašlo na poti. Zaradi varnosti bo torej treba omejiti gostoto moči žarka.

Izziv gradnje takšnih platform v vesolju se morda zdi zastrašujoč, vendar je vesoljska sončna energija tehnološko izvedljiva. Da bi bil ekonomsko uspešen, zahteva obsežno inženirstvo ter zato dolgoročno in odločno zavezanost vlad in vesoljskih agencij.

Toda z vsem tem bi lahko SBSP bistveno prispeval k zagotavljanju neto ničelne energije do leta 2050 s trajnostno, čisto energijo iz vesolja.

Ta članek se je prvotno pojavil v Pogovor.