Elektrownia słoneczna w kosmosie? Oto jak to będzie działać

Mówi się, że rząd Wielkiej Brytanii rozważa propozycję budowy elektrowni słonecznej w kosmosie o wartości 16 miliardów funtów.

Jovana Radulovic

Tak, dobrze to przeczytałeś. Energia słoneczna z kosmosu jest jedną z technologii, które zostaną zaprezentowane w rządowym portfolio Net Zero Innovation. Został zidentyfikowany jako potencjalne rozwiązanie, wraz z innymi, umożliwiające Wielkiej Brytanii osiągnięcie zera netto do 2050 roku.

Ale jak będzie działać elektrownia słoneczna w kosmosie? Jakie są zalety i wady tej techniki?

Kosmiczna energia słoneczna polega na gromadzeniu energii słonecznej w kosmosie i przesyłaniu jej na Ziemię. Chociaż sam pomysł nie jest nowy, ostatnie postępy technologiczne sprawiły, że możliwość ta stała się bardziej realna.

Solar Space System obejmuje satelitę zasilanego energią słoneczną – ogromny statek kosmiczny z panelami słonecznymi. Panele te wytwarzają energię elektryczną, która jest następnie przesyłana bezprzewodowo na Ziemię za pomocą fal radiowych o wysokiej częstotliwości. Antena naziemna, zwana prostoliniową, służy do przetwarzania fal radiowych na energię elektryczną, która jest następnie podłączana do sieci energetycznej.

Kosmiczna elektrownia słoneczna jest zasilana przez słońce przez 24 godziny na dobę, dzięki czemu może wytwarzać energię elektryczną w sposób ciągły. Stanowi to przewagę nad naziemnymi systemami słonecznymi (systemami zlokalizowanymi na ziemi), które mogą wytwarzać energię elektryczną tylko w ciągu dnia i zależą od pogody.

Ponieważ globalne zapotrzebowanie na energię ma wzrosnąć o około 50% do 2050 r., kosmiczna energia słoneczna może być niezbędna do zaspokojenia rosnącego światowego zapotrzebowania w sektorze energetycznym i radzenia sobie z rosnącą globalną temperaturą.

Niektóre wyzwania dla elektrowni słonecznej w kosmosie

Kosmiczna elektrownia słoneczna oparta jest na konstrukcji modułowej, w której wiele modułów słonecznych jest montowanych na orbicie przez roboty. Przeniesienie wszystkich tych elementów w kosmos jest trudne, kosztowne i ma wpływ na środowisko.

Waga paneli słonecznych została uznana za pierwsze wyzwanie. Jednak udało się temu zaradzić dzięki opracowaniu ultralekkich ogniw słonecznych (panele słoneczne składają się z mniejszych ogniw słonecznych).

Energia słoneczna z kosmosu jest technicznie wykonalna przede wszystkim dzięki postępom w kluczowych technologiach, w tym lekkich ogniwach słonecznych, bezprzewodowej transmisji energii i robotyce kosmicznej.

Co ważne, zbudowanie tylko jednej elektrowni słonecznej w kosmosie wymagałoby wielu startów promów kosmicznych. Chociaż kosmiczna energia słoneczna została zaprojektowana z myślą o długofalowej redukcji emisji dwutlenku węgla, istnieją znaczne emisje związane z wystrzeliwaniem w kosmos, a także koszty.

Obecnie wahadłowców kosmicznych nie można ponownie wykorzystać, chociaż firmy takie jak Space X pracują nad tym, aby to zmienić. Możliwość ponownego wykorzystania systemów startowych znacznie obniży całkowity koszt kosmicznej energii słonecznej.

Jeśli uda nam się z powodzeniem zbudować kosmiczną elektrownię słoneczną, jej eksploatacja stanie również przed wieloma wyzwaniami praktycznymi. Panele słoneczne mogą zostać uszkodzone przez kosmiczne śmieci. Co więcej, płyty w kosmosie nie są chronione przez ziemską atmosferę. Narażenie na intensywniejsze promieniowanie słoneczne oznacza, że ​​będą się one rozkładać szybciej niż te na Ziemi, co zmniejszy energię, którą mogą generować.

Inną kwestią jest sprawność bezprzewodowego przesyłu energii. Przesyłanie energii na duże odległości – w tym przypadku z satelity słonecznego w kosmosie na Ziemię – jest wyzwaniem. W oparciu o obecną technologię tylko niewielka część zebranej energii słonecznej dotrze na Ziemię.

Projekty pilotażowe już trwają

W ramach projektu Space Solar Power w Stanach Zjednoczonych opracowywane są wysoce wydajne ogniwa słoneczne, a także zoptymalizowany system konwersji i transmisji do użytku w kosmosie. Amerykańskie Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej przetestowało moduł słoneczny i system konwersji energii w kosmosie w 2020 roku. Tymczasem Chiny ogłosiły postępy w Bishan Solar Space Station, dążąc do uzyskania wydajnego systemu do 2035 roku.

W Wielkiej Brytanii rozwój kosmicznej energii słonecznej o wartości 17 miliardów funtów jest realną koncepcją opartą na niedawnym raporcie firmy Frazer-Nash Consultancy. Oczekuje się, że projekt rozpocznie się od małych prób prowadzących do funkcjonowania elektrowni słonecznej w 2040 roku.

Zasilany energią słoneczną satelita ma 1,7 kilometra średnicy i waży około 2000 ton. Antena naziemna zajmuje duży obszar – około 6,7 km na 13 km. Ponieważ ziemia jest wykorzystywana w całej Wielkiej Brytanii, jest bardziej prawdopodobne, że zostanie złożona na morzu.

Satelita ten dostarczy Wielkiej Brytanii 2 gigawaty mocy. Chociaż jest to znacząca ilość energii, jest to niewielki wkład w moc wytwórczą Wielkiej Brytanii, która wynosi około 76 gigawatów.

Przy bardzo wysokich kosztach początkowych i powolnym zwrocie z inwestycji, projekt będzie wymagał znacznych środków rządowych, a także inwestycji prywatnych firm.

Jednak wraz z postępem technologicznym koszty wystrzelenia w kosmos i produkcji będą stale spadać. A skala projektu pozwoli na masową produkcję, co nieco obniży koszty.

Zobaczymy, czy kosmiczna energia słoneczna może pomóc nam osiągnąć zero netto do 2050 r. Inne technologie, takie jak zróżnicowane i elastyczne magazynowanie energii, wodór i rozwój systemów energii odnawialnej, są lepiej zrozumiane i można je łatwiej zastosować.

Pomimo wyzwań kosmiczna energia słoneczna jest prekursorem ekscytujących możliwości badawczych i rozwojowych. W przyszłości technologia prawdopodobnie będzie odgrywać ważną rolę w globalnych dostawach energii.

Jovana Radulovic, kierownik Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Projektowania, University of Portsmouth