Tania energia z kosmosu. Coraz bliżej fotowoltaiki na orbicie

Kosmiczne elektrownie od dawna są marzeniem ludzi myślących o czystej energii. Każdej godziny nasza planeta otrzymuje od Słońca tyle energii, ile ludzkość wykorzystuje przez rok. Chmury, zaburzenia atmosferyczne i cykl dobowy sprawiają, że znaczną część tej energii tracimy. Umieszczenie farm fotowoltaicznych na orbicie pozwoliłoby na produkowanie taniej, czystej energii przez całą dobę. 

Choć “tania" na razie nie była. Dotychczasowe próby stworzenia orbitalnych elektrowni rozbijały się o kosmiczne koszty budowy takich instalacji - przede wszystkim koszty dostarczenia na orbitę ciężkich paneli fotowoltaicznych. 

To jednak może się zmienić, bo wraz z rozwojem technologii produkcji paneli fotowoltaicznych ich masa i cena spadają. A nowe rakiety dają szansę na o wiele tańsze dostarczanie w kosmos ładunków.

Nowe badanie, przeprowadzone przez brytyjskich uczonych wskazuje jednak, że nowa generacja paneli doskonale nadaje się do tego zadania, a jest zdecydowanie lżejsza, tańsza i łatwiejsza w montażu. Badacze obserwowali przez sześć lat to, jak nowe panele wytwarzają na orbicie energię i wytrzymują ekstremalne warunki kosmosu. Odkrycia mogą otworzyć drogę do komercyjnej, orbitalnej fotowoltaiki. 

"Jesteśmy bardzo zadowoleni, że misja, która planowo miała działać przez jeden rok nadal działa po sześciu latach" mówi prof. Craig Underwood, inżynier statków kosmicznych z Surrey Space Center na Uniwersytecie w Surrey. “Te szczegółowe dane pokazują, że panele są odporne na promieniowanie, a ich cienkowarstwowa struktura nie uległa pogorszeniu w trudnych warunkach termicznych i próżniowych panujących w przestrzeni kosmicznej.

Naukowcy z Centrum Badań nad Energią Słoneczną Uniwersytetu w Swansea opracowali nowe ogniwa słoneczne z tellurku kadmu. Panele zajmują większą powierzchnię, są lżejsze i zapewniają znacznie większą moc niż obecna technologia, a także są stosunkowo tanie w produkcji.

Naukowcy z Uniwersytetu w Surrey zaprojektowali z kolei instrumenty mierzące działanie paneli na orbicie. Sam satelita został zaprojektowany i zbudowany w Centrum Kosmicznym w Surrey we współpracy z zespołem inżynierów stażystów z Algierskiej Agencji Kosmicznej (ASAL).

Chociaż moc wyjściowa ogniw z czasem nieco spadła, naukowcy uważają, że ich odkrycia dowodzą, że satelity zasilane energią słoneczną działają i mogą być opłacalne komercyjnie.

"Udany test cienkowarstwowych ogniw słonecznych umożliwi zdobycie finansowania w celu dalszego rozwoju tej technologii" powiedział dr Dan Lamb z Uniwersytetu w Swansea. “Wielkopowierzchniowe panele słoneczne do zastosowań kosmicznych to szybko rozwijający się rynek".

W czerwcu tego roku doszło do innego przełomu, otwierającego drogę do kosmicznej energetyki. Naukowcy po raz pierwszy w historii przesłali energię słoneczną z kosmosu na Ziemię.

Eksperyment MAPLE prowadzony w ramach kosmicznego demonstratora energii słonecznej umożliwił bezprzewodowe przesyłanie zebranej energii słonecznej do odbiorników w przestrzeni kosmicznej i skierowanie energii na Ziemię.

Bezprzewodowe przesyłanie mocy osiągnięto za pomocą zestawu elastycznych i lekkich mikrofalowych nadajników mocy, znajdujących się na pokładzie kosmicznego demonstratora energii słonecznej (SSPD-1).

SSPD-1 został wystrzelony w styczniu 2023 r. w ramach projektu Space Solar Power Project (SSPP) Kalifornijskiego Instytutu Technologii (Caltech), którego głównym celem jest pozyskiwanie energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej, a następnie przesyłanie jej na powierzchnię Ziemi.

Projekt MAPLE zademonstrował bezprzewodową transmisję energii w przestrzeni kosmicznej, wysyłając energię z nadajnika do dwóch oddzielnych układów odbiorników oddalonych o około 30 centymetrów, gdzie została ona przekształcona w energię elektryczną. Posłużyła ona do zasilenia pary diod LED. Następnie instrument przesłał energię na dach Laboratorium Inżynieryjnego Gordona i Betty Moore na terenie kampusu Caltech w Pasadenie.

Planuje się, że SSPP będzie ostatecznie składać się z konstelacji modułowych statków kosmicznych zbierających światło słoneczne, przekształcających je w energię elektryczną i następnie w mikrofale, które następnie będą przesyłane na duże odległości, w tym z powrotem na Ziemię.

Wyścig o orbitalną energię jest coraz bardziej intensywny. Kilka miesięcy temu brytyjski rząd zapowiedział, że tamtejsze uniwersytety i firmy technologiczne mają otrzymać 4,3 miliona funtów dofinansowania rządowego na rozwój kosmicznej energii słonecznej.

Niezależne badanie zlecone przez rząd Wielkiej Brytanii przeprowadzone w 2021 r. wykazało, że kosmiczna energia słoneczna może wygenerować do 10 GW mocy rocznie do 2050 r., co stanowi jedną czwartą obecnego zapotrzebowania Wielkiej Brytanii na energię elektryczną. Departament Bezpieczeństwa Energetycznego twierdzi, że może stworzyć wielomiliardowy przemysł i stworzyć do 143 000 miejsc pracy w całym kraju.

Kosmiczna energia słoneczna nie jest jednak pomysłem nowym. Już w 1941 roku pisarz science fiction Isaac Asimov opisał kosmiczną elektrownię wysyłającą na powierzchnię planety energię za pomocą wiązek mikrofalowych w jednym ze swoich opowiadań. W 1973 roku inżynier Peter Glaser otrzymał patent na metodę przesyłania mocy na duże odległości przy użyciu mikrofal z bardzo dużej anteny na satelicie do większej anteny na ziemi.

W 1978r. amerykański Kongres upoważnił Departament Energii i NASA do wspólnego zbadania tej koncepcji. Warte 50 mln dol. badanie doprowadziło do powstania serii raportów na temat wykonalności projektu. Projekt został jednak zarzucony, gdy rządy w USA przejęła administracja Ronalda Reagana. 

Orbitalnymi elektrowniami interesują się dziś także Chiny, które już w 2012 r. zaproponowały współpracę nad budową podobnych orbitalnych instalacji rządowi Indii.