Czy elektrownia słoneczna na orbicie uratuje nas przed kryzysem energetycznym? Sprawdzamy

W pierwszych dniach stycznia na orbitę został wystrzelony satelita opracowany w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym, Caltech. To Space Solar Power Project (SSPP). Będzie testem trzech technologii. Ogniw fotowoltaicznych (i to aż 22 różnych ich typów), samych satelitów (zwłaszcza systemów rozkładania ogniw) oraz systemu przesyłania energii za pomocą fal mikrofalowych na Ziemię.

Jeśli ten test ostatni się powiedzie (co okaże się niebawem), dowiemy się, czy w przyszłości będziemy mogli czerpać energię słoneczną z kosmosu.

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak i ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Rozbrajamy mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I piszemy o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.

Dlaczego stamtąd? Pierwszym oczywistym powodem jest brak chmur w przestrzeni pozaziemskiej. Na Ziemi nie brakuje miejsc, gdzie bywa pochmurno. Ale to nigdy nie będzie problemem na okołoziemskiej orbicie.

Drugim powodem jest to, że nawet w pogodny dzień na powierzchnię Ziemi dociera mniej promieniowania słonecznego (część pochłania atmosfera). Na panele słoneczne na orbicie będzie padać prawie o połowę więcej (o 44 procent więcej) energii, która trafia na Ziemię.

Trzecim powodem jest to, że energię słoneczną z satelity można mieć nawet w nocy. Satelita może krążyć po takiej orbicie, że uniknie cienia Ziemi. Co prawda nie jest to możliwe przez całą dobę, ale przez 99 procent czasu - jak najbardziej.

Ten sposób przesyłania energii jest stosunkowo nieczuły na zachmurzenie. W pewnym zakresie częstotliwości mikrofale są słabo tłumione przez atmosferę i chmury.

Czy to bezpieczne? Jak najbardziej

Czy taka wiązka mikrofal z satelity nikomu nie zaszkodzi? Przecież mikrofale mogą podgrzać wodę w kuchence mikrofalowej aż do wrzenia. Nie zaszkodzi. Promieniowanie w kuchence mikrofalowej jest skoncentrowane na niewielkiej powierzchni. Wiązkę z satelity odbierać będą anteny rozłożone na bardzo dużej powierzchni.

A dlaczego mikrofale? Krótsze fale (bliższe podczerwieni) są już pochłaniane przez cząsteczki gazów, pyłów oraz kropel wody w atmosferze. Dłuższe fale radiowe nie pozwalają na przesyłanie energii z taką sprawnością jak mikrofale.

Im większa długość fali, tym mniejszą energię fale przenoszą - stąd fale radiowe są nieszkodliwe, podczerwień nagrzewa już obiekty, które ją pochłaniają, promieniowanie ultrafioletowe może już uszkodzić skórę i oczy.

Największą energię ma promieniowanie o najkrótszych długościach fal: rentgenowskie i gamma (podział na jedne i drugie również nie jest ścisły i zależy także od ich źródła).

Anteny rozmieszczone na powierzchni 10 kilometrów kwadratowych mogłyby z kosmosu odbierać 750 megawatów mocy - mniej więcej tyle ma przeciętna ziemska elektrownia. Gęstość strumienia energii nie przekraczałaby 1 wata na metr kwadratowy, co uważane jest za dawkę bezpieczną dla zdrowia

W ten sposób mikrofale nikomu nie zaszkodzą. Tak samo, jak nie szkodzi nam promieniowanie radiowe docierające do radioodbiorników czy routerów WiFi.

Czy to działa? Tak, były już próby na Ziemi

W kwietniu ubiegłego roku Laboratorium Badawcze Amerykańskiej Marynarki Wojennej (U.S. Naval Research Laboratory) przeprowadziło największy do tej pory test systemu bezprzewodowej transmisji energii za pomocą mikrofal. Moc 1,6 kilowata przesłano na odległość ponad jednego kilometra.

System ten (nazwany SCOPE-M od “Safe and Continuous Power Beaming Microwave”) składa się z dziesiątek tysięcy specjalnie skonstruowanych anten z prostownikami, zwanych też antenami prostowniczymi. To one przetwarzają promieniowanie mikrofalowe na prąd stały.

Do transmisji energii wykorzystano promieniowanie mikrofalowe o częstotliwości 10 gigaherców. Taka pozwala uniknąć strat mocy - nie przekraczają 5 procent nawet, gdy pada deszcz.

Amerykańskiej armii chodzi o zasilanie energią z satelity urządzeń i pojazdów wojskowych. Dr Brian Tierney, inżynier SCOPE-M, przyznawał, że głównym celem projektu jest zmniejszenie zależności od źródeł zasilania na Ziemi.

Choć na powierzchni ziemi taką metodę zasilania ogranicza horyzont, wiązka mikrofal może zasilać drony nawet w promieniu ponad stu kilometrów (taki jest promień horyzontu na wysokości kilometra). Wiązka energii z kosmosu pozwoliłaby zaś na zasilanie niewielkich pojazdów elektrycznych czy sprzętu elektronicznego.

Podobny naziemny test przeprowadziły też w ubiegłym roku Chiny, choć na niewielką odległość. (W czerwcu ubiegłego roku w eksperymentalnej elektrowni na Uniwersytecie Xidian (w mieście w Xi’an) prąd zamieniany był na wiązkę mikrofal. Odbierały ją anteny umieszczone zaledwie 55 metrów od nadajnika.)

Czy to ma sens? Ekonomicznego - niewiele…

Wspominaliśmy o zaletach, czyli o większym natężeniu promieniowania słonecznego, braku zachmurzenia i możliwości przesyłania energii na Ziemię także tam, gdzie panuje noc. Są jednak i wady „energii z kosmosu”. I niestety – na razie jest ich zbyt wiele.

Oczywistym problemem jest wysoki koszt produkcji satelity i wyniesienia ładunku na orbitę. Jak wyliczano, koszt ten nie może przekraczać 200 dolarów za kilogram ładunku, by technologia ta była opłacalna. Dziś koszt ten jest dużo większy (pomiędzy 10 tysiącami a 100 tysiącami dolarów za kilogram). Od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku spada, ale nie na tyle szybko, by w przewidywalnej przyszłości osiągnąć dwieście dolarów.

Wygląda na to, że „energia z kosmosu” nieprędko będzie się opłacać.

Są inne problemy. By zapewniły moc porównywalną z ziemską elektrownią, panele słoneczne w kosmosie muszą mieć dużą powierzchnię. Jak wynieść na orbitę ogniwa fotowoltaiczne o powierzchni kilometra kwadratowego, tysiąc na tysiąc metrów, a potem rozłożyć? (Można budować taką strukturę z ogniw słonecznych na orbicie, ale to równie trudne technicznie).

W kosmosie ogniwa słoneczne mają też krótszą żywotność - niszczeją dobre kilka razy szybciej niż na Ziemi. Trzeba by je często konserwować lub wymieniać.

Zaletą jest za to niewysoki koszt budowy naziemnej stacji odbiorczej, szacowany na 200 tysięcy dolarów za każdy gigawat mocy. Ale marne to pocieszenie.

Lada tydzień dowiemy się, czy satelita Space Solar Power Project działa i będzie przesyłał energię na Ziemię. W praktyce jednak średni czas przeskalowania nowej technologii, czyli od niewielkiego eksperymentu do masowej produkcji i zastosowania na szeroką skalę - to od jednej do trzech dekad.

A może na Saharze?

Aż tyle czasu, by zatrzymać globalne ocieplenie i katastrofalne zmiany klimatu, nie mamy. Nie liczmy więc na energię z satelitów. Lepiej zrobimy stawiając elektrownie słoneczne na Ziemi.

Gdyby tak postawić wielką elektrownię słoneczną na Saharze? Cóż (jak wyliczał dr Mehran Moalem na łamach „Forbesa”) wystarczyłoby, pokryć ogniwami słonecznymi 1,2 procent jej powierzchni, by zapewniła energię całej planecie. To śmiały projekt, który wymagałby budowy elektrowni słonecznej na powierzchni ponad 126 tysięcy kilometrów kwadratowych - 355 na 355 kilometrów.

Panele słoneczne o tej powierzchni produkowałyby 17,4 terawatów mocy (bilionów watów). Cały świat potrzebuje nieco mniej, około 17,3 terawata.

W 2009 roku powstał projekt DESERTEC, który zajmuje się koncepcją takiego przedsięwzięcia na skalę, która zapewniłaby energię krajom Afryki Północnej i Europy.

Po niemal półtorej dekady nadal jest to tylko koncepcja. Wygląda na to, że Europa nieszczególnie chciałaby się uzależnić od energii słonecznej z Algierii i Maroka.