Energia słoneczna z kosmosu staje się poważna, więc czy może rozwiązać problemy energetyczne Ziemi? | Nauki

Pod koniec ubiegłego miesiąca w Monachium inżynierowie europejskiej linii lotniczej Airbus pokazali, jaka może być przyszłość czystej energii. Zbierali światło słoneczne za pomocą paneli słonecznych, zamieniali je w mikrofale i przesyłali energię przez hangar lotniczy, gdzie zawracali ją do elektryczności, która między innymi oświetlała model miasta. Demonstracja oferowała tylko 2 kW powyżej 36 metrów, ale wywołała poważne pytanie: czy nadszedł czas, aby ożywić program długo wyśmiewany jako science fiction i wystrzelić w kosmos gigantyczne satelity zbierające energię słoneczną? Na wysokiej orbicie, bez chmur iw nocy, mogą generować energię 24 godziny na dobę i wysyłać ją z powrotem na Ziemię.

„To nie jest nowa nauka, to problem inżynieryjny” – mówi inżynier Airbusa Jean-Dominique Coste. „Ale to się nigdy nie zdarzyło w [large] Skala.”

Zwolennicy energii słonecznej w kosmosie uważają, że pilne zapotrzebowanie na zieloną energię, tańszy dostęp do kosmosu i ulepszenia technologiczne mogą w końcu to zmienić. „Kiedy ktoś dokona inwestycji komercyjnej, będzie się rozwijać. To może być przemysł warty bilionów dolarów” – mówi były badacz NASA John Mankins, który dziesięć lat temu oceniał kosmiczną energię słoneczną dla agencji.

Duże inwestycje są prawdopodobnie daleko w przyszłość, a niezliczone pytania pozostają, w tym, czy gigawaty energii można skutecznie przenieść na planetę – i bez smażenia ptaków, jeśli nie ludzi. Ale pomysł przenosi się z dokumentów koncepcyjnych do rosnącej liczby testów na Ziemi iw kosmosie. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) – która sponsorowała monachijskie demo – zaproponuje państwom członkowskim program testów naziemnych w celu oceny wykonalności tego programu. W tym roku rząd Wielkiej Brytanii przyznał dotacje o wartości do 6 milionów funtów na przetestowanie technologii. Agencje chińskie, japońskie, południowokoreańskie i amerykańskie podejmują niewielkie wysiłki. „Ten i treść całej rozmowy uległy zmianie” – mówi analityk polityczny NASA Nikolai Joseph, autor oceny, którą NASA planuje opublikować w nadchodzących tygodniach. Karen Jones, analityk polityki kosmicznej w branży lotniczej, mówi, że to, co kiedyś wydawało się niemożliwe, może być teraz kwestią „złożenia tego wszystkiego w całość i sprawienia, by działało”.

NASA po raz pierwszy zbadała koncepcję kosmicznej energii słonecznej podczas kryzysu paliwowego w połowie lat siedemdziesiątych. Ale proponowana misja kosmiczna – z technologią z lat 70. wprowadzoną do promu kosmicznego i zmontowaną przez astronautów – kosztowałaby około 1 biliona dolarów. Pomysł został odłożony na półkę i według Mankinsa dla wielu osób w agencji pozostaje tematem tabu.

Dzisiaj technologia kosmiczna i energia słoneczna zmieniły się nie do poznania. Jones twierdzi, że wydajność ogniw fotowoltaicznych wzrosła o 25% w ciągu ostatniej dekady, podczas gdy koszty spadły. Transceivery mikrofalowe to zaawansowana technologia w branży komunikacyjnej. Roboty opracowywane do naprawy i tankowania satelitów na orbicie można przekształcić w gigantyczne panele słoneczne.

Ale największy impuls do tego pomysłu pochodził z niższych kosztów uruchomienia. Satelita wystarczająco duży, by zastąpić elektrownię atomową lub węglową, musiałby mieć kilka kilometrów szerokości i wymagać setek wystrzeleń. „Będzie to wymagało budowy na dużą skalę na orbicie” – mówi Sanjay Vijendran, naukowiec zajmujący się kosmosem z Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Prywatna firma kosmiczna SpaceX sprawiła, że ​​pomysł wydaje się mniej dziwaczny. Rakieta SpaceX Falcon 9 przenosi ładunek około 2600 dolarów za kilogram – mniej niż 5% kosztów promu kosmicznego – a firma obiecuje stawki zaledwie 10 dolarów za kilogram gigantycznego statku kosmicznego Starship, który ma zostać wystrzelony w tym roku. „To zmienia równanie” – mówi Jones. „Gospodarka jest wszystkim”.

Podobnie masowa produkcja obniża koszty urządzeń lotniczych. Satelity jednorazowe są zwykle budowane z drogich komponentów ocenianych według obszaru. Na przykład wytrwała sonda NASA na Marsie kosztowała 2 miliony dolarów za kilogram. W przeciwieństwie do tego SpaceX może produkować własne satelity komunikacyjne Starlink za mniej niż 1000 USD za kilogram. Takie podejście może zadziałać w przypadku gigantycznych konstrukcji lotniczych wykonanych z ogromnej liczby identycznych, tanich komponentów, powiedział Mankins, który już dawno temu współpracuje z Artemis Innovation Management Solutions. Połącz tanie starty z tym „hiper-stanem”, mówi, i „nagle ekonomia kosmicznej energii słonecznej stała się oczywista”.

Lepsza inżynieria może sprawić, że te gospodarki będą wygodniejsze. Kost mówi, że demonstracja Airbusa w Monachium była ogólnie wydajna w około 5%, porównując wkład energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej. Naziemne panele słoneczne działają najlepiej, ale tylko wtedy, gdy świeci słońce. Jeśli kosmiczna energia słoneczna może osiągnąć 20% wydajność, ostatnie badania mówią, że może konkurować z obecnymi źródłami energii pod względem ceny.

Komponenty o niskiej wadze usprawnią również kalkulację kosztów. Pomóc mogą „panele” i urządzenia wielkości pudełka do pizzy z ogniwami fotowoltaicznymi po jednej stronie, elektroniką pośrodku i nadajnikiem mikrofalowym po drugiej. Połącz ich tysiące razem jako podłogę wyłożoną kafelkami i stwórz fundament satelity kosmicznego słonecznego bez wielu ciężkich kabli do konwersji energii. Naukowcy od lat testują prototypy na Ziemi, ale w 2020 roku zespół z US Naval Research Laboratory (NRL) wszedł na pokład eksperymentalnego samolotu kosmicznego X-37B Sił Powietrznych.

„Nadal jest na orbicie i cały czas generuje dane” – mówi kierownik projektu Paul Jaffe z NRL. Panel ma 8% sprawność w przekształcaniu energii słonecznej w mikrofale, ale nie wysyła jej na Ziemię. Jednak w przyszłym roku Siły Powietrzne planują przetestować panel warstwowy, który zmniejszy jego moc. Zespół z Caltech wypuści prototypową płytę w grudniu ze SpaceX.

Wadą paneli izolacyjnych jest to, że strona mikrofalowa musi być zawsze skierowana w stronę Ziemi, dlatego podczas obrotu satelity strona fotowoltaiczna czasami odwraca się od Słońca. Aby oszczędzać energię przez 24 godziny na dobę, satelita potrzebowałby luster, które oświetlałyby tę stronę, z dodatkową zaletą, że lustra mogą również skupiać światło na ogniwie fotowoltaicznym. Badanie NASA z 2012 r. przeprowadzone przez Mankinsa zaproponowało projekt, w którym konstrukcja w kształcie misy z tysiącami cienkich, indywidualnie sterowanych luster kieruje światło na układ fotowoltaiczny.

Ian Cash z brytyjskiej International Electric Corporation opracował inne podejście. Proponowany przez niego satelita wykorzystuje duże lustra o stałym kącie, aby skierować światło na układ fotowoltaiczny i mikrofalowy, jednocześnie obracając całą strukturę, aby lustra były skierowane w stronę słońca (patrz ilustracja powyżej). Energia z ogniw fotowoltaicznych jest przekazywana do mikrofal i podawana do miliarda maleńkich pionowych anten, które razem działają jak „szyk fazowy”, elektronicznie kierując wiązkę w kierunku Ziemi, niezależnie od orientacji satelity. Ten projekt zapewnia największą siłę jego bloku, mówi Cash, czyniąc go „najbardziej konkurencyjnym ekonomicznie”.

Gdyby elektrownia kosmiczna kiedykolwiek leciała, wytwarzana przez nią energia musiałaby skutecznie i bezpiecznie dotrzeć na Ziemię. W niedawnym teście naziemnym zespół Jaffe w NRL przekazał 1,6 kilowata na 1 kilometr, a zespoły w Japonii, Chinach i Korei Południowej podejmują podobne wysiłki. Ale obecne transceivery tracą połowę swojej mocy wejściowej. W przypadku energii słonecznej w kosmosie przesył energii musi być wydajny w 75%, mówi Vijendran, „idealnie w 90%”.

Należy również przetestować bezpieczeństwo przesyłania gigawatów przez atmosferę. Większość projektów ma na celu wytworzenie wiązki o szerokości kilku kilometrów, tak aby każdy statek kosmiczny, samolot, osoba lub zabłąkany ptak otrzymał niewielką – miejmy nadzieję nieszkodliwą – część 2 gigawatów transmisji. Anteny odbiorcze są niedrogie, ale „zabierają dużo nieruchomości”, mówi Jones, chociaż twierdzi, że można pod nimi uprawiać rośliny lub umieszczać je na zewnątrz.

Na razie w Europie agencje publiczne poważnie traktują energię słoneczną z kosmosu. „Istnieje zobowiązanie, którego nie widać w Stanach Zjednoczonych” – mówi Jones. W ubiegłym roku Europejska Agencja Kosmiczna zleciła dwa badania kosztów i korzyści dotyczące kosmicznej energii słonecznej. Vijendran twierdzi, że doszli do wniosku, że może dorównać kosztom naziemnych odnawialnych źródeł energii. Ale nawet przy wyższej cenie, porównywalnej z energią jądrową, jej całodobowa dostępność – w przeciwieństwie do tradycyjnej energii słonecznej lub wiatrowej – sprawi, że będzie konkurencyjna.

W listopadzie Europejska Agencja Kosmiczna poprosi państwa członkowskie o sfinansowanie oceny możliwości pokonania przeszkód technicznych. Jeśli wiadomości będą dobre, agencja przedstawi plany pełnego wysiłku w 2025 r. Uzbrojona w 15-20 mld euro Europejska Agencja Kosmiczna może umieścić na orbicie pilotażowy obiekt o mocy megawatów do 2030 r. i rozszerzyć się do gigawatów — odpowiednik ogromnej stacji Energia konwencjonalna — do 2040 r., mówi Vijendran. „To jak strzał z księżyca”.