Z orbity do gniazdka? Czy marzenie o prądzie z kosmosu może się spełnić

Eksperyment przebiegł pomyślnie. Naukowcy skierowali panele fotowoltaiczne w stronę Słońca, a one wyprodukowały energię elektryczną, którą przekształcono w promieniowanie mikrofalowe. Wiązka mikrofal została następnie przesłana na drugi koniec hangaru, gdzie znów zamieniono ją w prąd. Wykorzystano go do oświetlenia makiety dużego miasta. Niezwykłe, prawda?

Dawniej taki pokaz odbyłby się na głównym placu albo w teatrze i ku uciesze licznej publiczności. W tym doświadczeniu brali jednak udział wyłącznie naukowcy, a przeprowadzono je w zamkniętym ośrodku badawczym firmy Airbus w Monachium. Czyli skromnie. Jednakże koncepcja bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej na odległość – gdyby kiedyś została zrealizowana w takiej formie i skali, o jakiej marzą badacze – zrewolucjonizowałaby naszą cywilizację.

Czy to marzenie ma szansę się spełnić? Podczas demonstracji zorganizowanej w Monachium pod koniec września naukowcy z nowozelandzkiej firmy Emrod przesłali na odległość 36 m energię o mocy 2 kW. Niewiele. Tyle dostarcza w umiarkowanie pochmurny jesienny dzień nieduża instalacja fotowoltaiczna. Gdyby jednak odpowiednio duże – o powierzchni wielu kilometrów kwadratowych – zestawy paneli słonecznych umieścić na orbicie, gdzie nie ma chmur i nocy, a następnie zgromadzoną przez nie energię przesłać na Ziemię za pośrednictwem mikrofal, wówczas określenie „kryzys paliwowy” mogłoby przejść do historii. W przypadku Europy, która jest uboga w tradycyjne surowce energetyczne, jest to perspektywa bardzo kusząca.

Sponsorem monachijskiego eksperymentu była Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency, ESA). Po pokazie jej przedstawiciele poinformowali, że zaproponują krajom członkowskim sfinansowanie kilkuletniego programu badań eksperymentalnych – na razie naziemnych. Własne, niewielkie projekty realizują już USA, Japonia, Korea Południowa i Chiny. Niedawno także brytyjski rząd wyłożył na ten cel 6 mln funtów. „Zdajemy sobie sprawę, że przed nami są dekady prób i poszukiwań właściwych rozwiązań. Wciąż nie wiemy, jak efektywnie przesyłać na Ziemię strumienie energii o mocy wielu gigawatów i nie narobić przy tym szkód. To nadal science fiction, ale atmosfera wokół takich badań znacznie się w ostatnim czasie zmieniła” – mówił po pokazie Sanjay Vijendran, inżynier kosmiczny z ESA, cytowany przez „Science”.

Powrót zapomnianej idei

Sam pomysł nie jest nowy. Za jego ojca uchodzi Peter Glaser, inżynier pracujący przy programie Apollo. W 1968 r. opublikował (także w „Science”) artykuł „Power from the Sun: Its Future” („Energia ze Słońca: Jej przyszłość”). Dowodził w nim, że przyszłe losy ludzkości będą zależały od tego, czy zdoła ona opanować energię słoneczną. Bo tradycyjne surowce paliwowe wcześniej lub później się skończą. „Czy nastąpi to za sto, czy za dwieście lat, nie ma dużego znaczenia. Istotne jest to, że taki moment nadejdzie” – pisał Glaser.

Następnie przedstawił koncepcję systemu satelitarnego złożonego z kolektorów słonecznych o powierzchni wielu kilometrów kwadratowych każdy, rozmieszczonych na odległej orbicie geostacjonarnej, gdzie mogłyby pracować 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu. Wyprodukowana w kosmosie energia byłaby przesyłana za pośrednictwem ogromnych anten emitujących promieniowanie mikrofalowe. Naziemne stacje odbiorcze mogłyby stanąć w sąsiedztwie terenów zurbanizowanych i uprzemysłowionych, gdzie popyt na prąd jest największy. Tym samym odpadłyby wysokie koszty związane z przesyłaniem energii przy pomocy tradycyjnej sieci. Dodajmy, że ponad ćwierć wieku przed Glaserem o czymś takim pisał Isaac Asimov w opowiadaniu „Reason” z 1941 r.
W latach 70. amerykańska agencja kosmiczna NASA wspólnie z Departamentem Energii USA przeprowadziła kilka testów, które pokazały, że mikrofale rzeczywiście mogłyby pośredniczyć w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Wtedy wykonano drugi krok, który polegał na opracowaniu koncepcji słonecznych elektrowni orbitalnych. Panele miały być wynoszone na orbitę przez promy kosmiczne (które zaczęto testować mniej więcej w tym samym czasie), a następnie montowane przez astronautów. Kiedy jednak okazało się, że misja demonstracyjna pochłonęłaby cały budżet NASA i jeszcze trzeba byłoby sporo dołożyć, pomysł błyskawicznie odłożono na półkę. I długo nikt nie chciał do niego wracać.

Jednak ponad dekadę temu fizyk John Mankins przeprowadził na Hawajach eksperyment sfinansowany i sfilmowany przez Discovery Channel. Za pośrednictwem mikrofal przesłał na odległość 148 km – z jednej wyspy archipelagu na drugą – wyprodukowaną przez panele słoneczne energię elektryczną o mocy 20 W. Mankins pracował wcześniej w NASA jako szef Biura Zaawansowanych Projektów, gdzie opracowano koncepcję kosmicznych elektrowni słonecznych. Odszedł z agencji, kiedy ta straciła zainteresowanie tematem. Kilkanaście lat temu ideę odkurzyły niewielkie firmy technologiczne. Ich szefowie wierzyli bowiem, że prąd z orbity to wcale nie taka odległa perspektywa. Jedna z nich – Solaren – obiecywała, że już w 2020 r. zbuduje na orbicie instalacje o mocy 200 MW.

Podobne plany ogłosili Japończycy – najpierw 250 MW, a po kolejnej dekadzie 1 GW. Także europejski koncern kosmiczny EADS Astrium (obecnie Airbus Defence and Space) zapowiedział, że w ciągu pięciu lat umieści na orbicie niewielką elektrownię demonstracyjną o mocy 10–20 kW. Nic z tych planów nie wyszło. W opublikowanym mniej więcej w tym samym czasie raporcie Pentagonu stwierdzono jednak, że technicznie ten pomysł jest już wykonalny. Mało tego: zapewniono, że szybki postęp w kilku dziedzinach może w ciągu kilku dekad uczynić z niego opłacalne przedsięwzięcie.

Plany jasno zakreślone

Parę rzeczy zmieniło się od czasu tamtych deklaracji i raportów – podkreślali eksperci w Monachium. I zwrócili uwagę na dwa kluczowe ich zdaniem czynniki: błyskawiczny rozwój technologii fotowoltaicznych oraz radykalne zmniejszenie kosztów lotów orbitalnych. Wyniesienie kilograma ładunku na orbitę przez rakietę Falcon 9 zbudowaną przez SpaceX kosztuje 2,6 tys. dol., czyli dwudziestokrotnie mniej niż w przypadku promów kosmicznych. W dodatku firma twierdzi, że jej nowy gigantyczny pojazd Starship, przygotowywany właśnie do pierwszego próbnego lotu, docelowo będzie transportował ładunki za mniej niż 10 dol. za kilogram.

„Jeśli do tego dodać olbrzymi postęp w pracach nad robotami, które w przyszłości mogłyby montować orbitalne elektrownie, oraz finansowane przez sektor telekomunikacyjny zaawansowane badania nad nadajnikami i odbiornikami mikrofalowymi, to widać, że w ciągu ostatniej dekady wykonany został duży krok do przodu” – tak wyniki eksperymentu komentował dla „Science” Nik Joseph, główny autor nowej ekspertyzy przygotowanej przez NASA, która ma zostać opublikowana w najbliższych tygodniach.
Przypomniał przy okazji, że w 2020 r. eksperymentalny wahadłowiec X-37B umieścił na orbicie panel – co prawda rozmiarów opakowania na pizzę – który z jednej strony ma ogniwa fotowoltaiczne, pośrodku elektronikę, a na odwrocie nadajnik mikrofalowy. Skonstruowali go inżynierowie wojskowi z US Naval Research Lab. „Ten prototyp wciąż działa i przetwarza energię słoneczną w mikrofale z wydajnością 8 proc. Dopiero jednak jego następca, który ma polecieć w przyszłym roku, ma nadać pierwszą mikrofalową przesyłkę na Ziemię. Teoretycznie z takich paneli można stworzyć na orbicie elektrownię dowolnych rozmiarów. Wystarczy je tylko ustawić obok siebie, a każdy niezależnie prześle swoją porcję energii” – zapewniał Joseph. To jedna z wielu rozważanych wersji kosmicznej elektrowni. Zgłoszono ich już kilkanaście. W toku dalszych badań i testów okaże się, która koncepcja wygra. Tymczasem ESA zapowiedziała, że w najbliższej przyszłości chciałaby przeznaczyć od 15 do 20 mld euro na zbudowanie demonstracyjnej fabryki słonecznego prądu o mocy 1 MW. Podała nawet wstępny termin jej umieszczenia: rok 2030.

Niechęć głośno wyrażana

Co na to sceptycy? Przyjmują te kosmiczne plany wzruszeniem ramion i czasami widowiskowo pukają się w czoło. Pomysł konsekwentnie krytykuje fizyk Amory Lovins, jeden z wizjonerów zielonej energetyki oraz efektywności energetycznej, profesor Stanford University, twórca pojęcia negawatów (energii zaoszczędzonej) oraz założyciel wpływowej niezależnej placówki badawczej Rocky Mountain Institute. Główny jego zarzut to mimo wszystko wciąż bardzo wysokie koszty budowy elektrowni słonecznych w porównaniu z naziemną energetyką słoneczną. „To prawda, że wyniesienie ładunku na orbitę jest dziś znacznie tańsze niż ćwierć wieku temu, ale od tego czasu olbrzymi krok do przodu wykonała również branża ogniw fotowoltaicznych. Są one instalowane masowo, a ich ceny zjechały w dół. Postęp jest tu gigantyczny. Identycznie jest w przypadku pozyskiwania energii wiatru, szczególnie z turbin morskich” – komentował w listopadzie na łamach „Scientific American”.

Lovins docenia największą zaletę orbitalnych elektrowni, czyli to, że mogłyby one zapewnić stabilne dostawy prądu bez względu na pogodę i porę dnia. Wyraża jednak opinię, że o wiele bardziej opłacalną – i technologicznie prostszą – inwestycją byłoby stworzenie inteligentnych systemów masowego magazynowania i przesyłania zielonej energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł naziemnych. Zresztą pieniądze to nie wszystko – podkreślał naukowiec. Ważne jest choćby bezpieczeństwo energetyczne. „Jedne kraje miałyby dostęp do tego orbitalnego prądu, inne – niekoniecznie, a jeśli tak, to uzależniłyby się wtedy od zewnętrznych dostawców. Ktoś musiałby przecież budować i serwisować te kosmiczne instalacje, a potem chciałby pewnie na nich zarabiać. Czy nie lepiej mieć własny prąd z własnego dachu lub z niedalekiej farmy wiatrowej?” – zastanawiał się. Jego zdaniem oba te naziemne źródła energii odnawialnej właśnie wkraczają w fazę globalnej ekspansji i czeka je wspaniały rozkwit w najbliższym okresie. „Będą wszędzie i prawie za darmo. Za chwilę będziemy mieli całe armady wielkich unoszących się na wodzie turbin morskich i dostarczających mnóstwo prądu przez 24 godziny na dobę. Po co więc lecieć po niego aż na orbitę? – pytał.

Zagorzałym krytykiem słonecznej energetyki jest także nie kto inny, jak Elon Musk. Wydawałoby się, że akurat on – założyciel zarówno firmy kosmicznej (SpaceX), jak i firmy produkującej systemy fotowoltaiczne (Tesla) – powinien być jej wielkim entuzjastą. Tymczasem parę lat temu określił ją „najgłupszą rzeczą w historii”. Jego główny zarzut związany jest z koniecznością dwukrotnej konwersji energii słonecznej pozyskiwanej na orbicie, a następnie przesyłanej na Ziemię. Słoneczne fotony trzeba bowiem zmienić w mikrofale, a te na stacjach odbiorczych – w elektrony. Zdaniem Muska straty związane z tymi konwersjami byłyby tak znaczne, że cały pomysł jest kompletnie nieopłacalny. „Zostawmy te panele na Ziemi” – zgodził się więc z Lovinsem.

Inni krytycy zwracają uwagę na takie problemy, jak straty ciepła towarzyszące konwersji energii. Oznacza to konieczność instalowania na orbicie potężnych systemów chłodzenia ogniw fotowoltaicznych oraz wielkich anten do przysyłania mikrofal. Fizyk Casey Handmer (pracował w NASA, zanim założył własny start-up) w swoim blogu wyliczył, że obecnie koszt budowy orbitalnej elektrowni słonecznej jest około tysiąc razy wyższy w porównaniu z taką samą instalacją na Ziemi. A autorzy raportu zamówionego przez ESA w brytyjskiej firmie konsultingowej Frazer-Nash zwrócili uwagę, że każda taka elektrownia słoneczna będzie ważyła co najmniej 10 razy więcej niż Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, którą składano przez ponad 10 lat na niskiej orbicie okołoziemskiej. Tymczasem elektrownie mają powstać znacznie dalej od Ziemi, ich budowanie w sensownym tempie będzie więc wymagało całej flotylli wielkich rakiet i statków kosmicznych. Flotylli, która w tej chwili nie istnieje.

Entuzjazm mimo wszystko

Mimo wszystkich tych merytorycznych zastrzeżeń wciąż ujawniają się nowi entuzjaści kosmicznej energetyki słonecznej. Znana amerykańska politechnika California Institute of Technology (Caltech) poinformowała parę tygodni temu, że głównym donatorem realizowanego przez nią od 2013 r. programu Space-based Solar Power Project jest kalifornijski deweloper Donald Bren – wraz z żoną przekazał na ten cel łącznie 100 mln dol. Dzięki tym funduszom troje profesorów wraz z około dwudziestką współpracowników stworzyło superlekką, składaną konstrukcję kompozytową, na której umieszczono elastyczne ogniwa fotowoltaiczne z arsenku galu.
Podstawowy element stanowi kwadratowa cienka płytka o boku 10 cm ważąca zaledwie 2,5 grama. Z takich płytek można złożyć kwadratowy moduł o boku 60 m, a z modułów – elektrownię docelowych rozmiarów 3 x 3 km. Unosiłaby się ona w kosmosie niczym latający dywan. Po dziesięciu latach żmudnych badań płytka z ogniwami ma polecieć w kosmos w grudniu tego roku. Cały, dość już liczny, światek kosmicznej energetyki będzie się temu testowi uważnie przyglądał.