Sposób na drogie paliwa. Ta farma fotowoltaiczna powstanie w kosmosie

Niedawna zapowiedź brytyjskiego rządu przeszła bez wielkiego echa. Z jednej strony może to dziwić, bo jeśli wspierany przez Londyn projekt powiedzie się, cały świat czeka energetyczna rewolucja. Z drugiej - łatwo uznać podobne zapowiedzi za czcze fantazje. 

Brytyjski rząd, reprezentowany przez ministra nauki George’a Freemana, 10 marca zapowiedział, że poprze inicjatywę mającą na celu budowę orbitalnej elektrowni słonecznej, która zgromadzoną na orbicie energię wysyłałaby na ziemię w postaci fal radiowych. Zlecony przez władze Wielkiej Brytanii raport stwierdza, że projekt zakładający budowę w kosmosie 2-gigawatowej elektrowni może być gotowy do 2039 r.

Brytyjczycy są przekonani, że kosmiczna energia słoneczna może być kluczowym elementem w osiągnięciu wyznaczonego przez Zjednoczone Królestwo - i większość krajów zachodniego świata - celu osiągnięcia zerowych emisji netto. Projekt popierają Narody Zjednoczone. Maimunah Mohd Sharif, dyrektor wykonawcza ONZ Habitat stwierdziła, że "postępy w nauce umożliwiły nam dokonanie gigantycznego kroku naprzód. Chcemy transformacyjnej zmiany". 

Koszty projektu będą duże - mają być porównywalne z budowaną właśnie na Wyspach linią szybkiej kolei HS2, która może kosztować nawet 98 mld funtów. Ale zyski będą jeszcze większe. Na tyle duże, że zaczyna się prawdziwy wyścig po orbitalną energię. Chiny rozpoczęły już prace nad nową, superciężką rakietą, której głównym zadaniem byłoby właśnie wystrzeliwywanie modułów podobnych instalacji. 

Ale jak miałaby działać elektrownia słoneczna w kosmosie? Jakie są zalety i wady tej technologii?

Większość projektów kosmicznego systemu energii słonecznej zakłada budowę ogromnego satelity wyposażonego w panele słoneczne. Panele te wytwarzają energię elektryczną, która jest następnie bezprzewodowo przesyłana na Ziemię za pomocą fal radiowych o wysokiej częstotliwości. Antena naziemna, zwana rectenną, służy do przekształcania fal radiowych w energię elektryczną, która jest następnie dostarczana do sieci energetycznej.

Elektrownia nie znajdowałaby się na niskiej orbicie Ziemi. Zamiast tego okrążałaby naszą planetę z daleka tak, by zawsze znajdować się w zasięgu promieni słonecznych. Dzięki czemu mogłaby w sposób ciągły wytwarzać energię elektryczną. Dałoby to jej ogromną przewagę nad naziemnymi systemami energii słonecznej, które mogą wytwarzać energię elektryczną tylko w ciągu dnia, przy dobrej pogodzie.

Skala projektu będzie ogromna. Elektrownia o mocy 2 gigawatów musiałaby - przy wykorzystaniu obecnej technologii - mieć około 1,7 km średnicy (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ma nieco ponad 100 metrów) i ważyłaby około 2 tysięcy ton. A to i tak drobnostka w porównaniu z anteną, która odbierałaby moc: ta sama elektrownia wymagałaby odbiornika zajmującego prostokąt 7 na 13 kilometrów.

To jednak wbrew pozorom nie jest fantastyka. Statki kosmiczne i sondy międzyplanetarne korzystają z ogniw fotowoltaicznych od dziesięcioleci, a prace nad nimi były jednym z czynników, dzięki którym dziś cena tej technologii spadła na tyle, że można minielektrownie instalować na każdym domu. Także technologia przesyłania energii za pomocą fal radiowych została przetestowana, choć na razie tak przesyłana elektryczność może zasilić co najwyżej żarówkę.

Większość projektów orbitalnych elektrowni jest oparta na konstrukcji modułowej, w której dziesiątki modułów słonecznych ma być montowanych na orbicie przez roboty. Transport wszystkich tych elementów w kosmos byłby jednak obecnie trudny, kosztowny i odbiłby się na środowisku.

Pierwszym wyzwaniem jest waga paneli słonecznych. Dziś koszt każdego kilograma wyniesionego w kosmos jest liczony w tysiącach lub dziesiątkach tysięcy dolarów, dlatego opracowanie ultralekkich ogniw jest priorytetem dla powodzenia projektu. Nawet w takim wypadku budowa nawet jednej elektrowni będzie wymagała dziesiątków startów rakiet kosmicznych. Opracowanie nowych, tańszych w eksploatacji rakiet takich, jak przygotowywany przez SpaceX Elona Muska ogromny Starship byłoby ogromnym krokiem na drodze do kosmicznej elektryczności.

Ten sam Elon Musk stał się jednak inspiracją do rozwiązania, które może pozwolić na budowę podobnych elektrowni o wiele szybciej i taniej. Jego usługa dostarczająca na cały świat bezprzewodowy internet, Starlink, wykorzystuje konstelację tysięcy stosunkowo niewielkich, produkowanych seryjnie satelitów. Jego SpaceX produkuje około 30 ton satelitów miesięcznie i jest na najlepszej drodze, by potencjalnie wyprodukować 40 tys. satelitów w ciągu pięciu lat. To drastycznie zmniejsza koszty produkcji kosmicznych urządzeń. A konstelacja minielektrowni wysyłających wytworzoną przez siebie moc do centralnego przekaźnika który potem transmituje ją na ziemię byłaby tańsza, prostsza w obsłudze i odporniejsza na uszkodzenia. 

Kolejnym wyzwaniem jest sprawność bezprzewodowej transmisji energii. Przesyłanie energii na duże odległości - w tym przypadku z satelity słonecznego w kosmosie na Ziemię - jest trudne. W oparciu o obecną technologię tylko niewielka część zebranej energii słonecznej dotarłaby na Ziemię.

Mimo wyzwań, pierwsze, pilotażowe projekty już trwają.  W ramach projektu Space Solar Power w USA opracowywane są wysokowydajne ogniwa słoneczne, a także system konwersji i transmisji zoptymalizowany do użytku w kosmosie. Amerykańskie Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej przetestowało w 2020 r. moduł słoneczny i system konwersji energii w kosmosie. Tymczasem Chiny budują już stację odbiorczą w Bishan i zamierzają stworzyć pierwszą, prototypową elektrownię do 2035 roku. 

Wyścig nie jest do końca przyjacielski, bo wszyscy wiedzą, że ten, kto pierwszy zdoła opanować tę technologię, zyska kolosalną przewagę. Według niektórych szacunków, w 2100 r. nawet 80 proc. całej elektryczności produkowanej przez ludzkość mogłaby pochodzić właśnie z takich orbitalnych platform. 

“Tak jak wojskowa, gospodarcza i dyplomatyczna kontrola nad bliskowschodnią ropą naftową wpłynęła na wydarzenia na świecie w ciągu ostatnich 80 lat, tak kontrola kosmicznych platform energii słonecznej zdominuje działania w przestrzeni kosmicznej w tym stuleciu" - powiedział portalowi Space.com James Michael Snead, prezes Spacefaring Institute. 

A gra toczy się o ogromne pieniądze. Globalne zapotrzebowanie na energię ma wzrosnąć do 2050 r. o prawie 50 proc. Bez poważnych inwestycji i wielkich projektów takich, jak orbitalne elektrownie, będzie trudno sprostać temu popytowi bez przyczyniania się do dalszego ocieplania planety.