Energia słoneczna z kosmosu przestaje być fantazją. Orbitalne elektrownie wchodzą w fazę praktycznych testów.
Twórcy technologii, które jeszcze kilka lat temu wydawały się futurystyczne, dziś mierzą się z realnymi wyzwaniami technicznymi, ekologicznymi i prawnymi. Start-upy i instytuty badawcze testują satelity, lasery i gigantyczne lustra, które mają przesyłać energię słoneczną z kosmosu na Ziemię. Eksperymenty prowadzone w Europie, USA, Japonii i Chinach pokazują, że przyszłość energii elektrycznej może być orbitalna. Satelity zbierające promieniowanie Słońca i przesyłające je na Ziemię za pomocą mikrofal lub laserów mogą w przyszłości zasilać całe miasta i kraje. Od stadionu futbolowego na Florydzie przez laboratoria uczelniane po ambitne plany firm takich jak Space Solar, Star Catcher czy Aetherflux – naukowcy i inżynierowie testują energetykę przyszłości, w której prąd z kosmosu może stać się uzupełnieniem tradycyjnych źródeł energii.
Zacznijmy od wizyty na stadionie futbolu amerykańskiego w Jacksonville na Florydzie. W marcu 2025 r., gdy jego trybuny stały puste, a w pobliżu kręcili się jedynie nieliczni pracownicy obsługi, inżynierowie start-upu Star Catcher wspięli się po drabinach, aby odsłonić rząd wysokich soczewek Fresnela ustawionych wzdłuż linii końcowej boiska – pierwszy realny krok w kierunku przesyłania energii słonecznej prosto z orbity. Każda soczewka miała ok. 1,2 m wysokości i była zamocowana na metalowym statywie. Andrew Rush, założyciel i dyrektor generalny Star Catcher, powoli przechadzał się między nimi, kontrolując na tablecie odczyty inklinometru – instrumentu do pomiaru kątów nachylenia. Soczewki zostały ustawione z niemal perfekcyjną precyzją, aby skoncentrować promienie słoneczne na odbiorniku znajdującym się w odległości 105 m po drugiej stronie boiska.
„Każda soczewka koncentruje mniej więcej 900 W energii słonecznej, ale dla bezpieczeństwa ograniczamy moc systemu” – tłumaczył Rush grupie dziennikarzy zaproszonych na pokaz. Gdy system został uruchomiony, licznik mocy odbiornika stopniowo wzrastał, stabilizując się na poziomie ok. 100 W. Wystarczało to, aby zasilić laptopa lub naładować kilka smartfonów – niewiele w skali sieci energetycznej, ale symbolicznie znaczące. „Nie chodzi w tym teście o ilość energii, ale o jakość przesłanej wiązki. Jeśli na tej odległości uda nam się utrzymać rozbieżność kątową poniżej dwóch miliradianów, będzie to oznaczało, że możemy rozwijać system”.
Tak też się stało. Skoncentrowana dawka energii słonecznej została przesłana z oczekiwaną przez Rusha precyzją. Celem Star Catcher jest stworzenie sieci orbitalnych przekaźników energii wyposażonych w lekkie koncentratory. System ten (z pominięciem laserów) miałby kierować światło słoneczne za pomocą serii soczewek, które wzmacniałyby je nawet dziesięciokrotnie. Kolejny eksperyment został zaplanowany przez firmę na koniec 2026 r. Będzie to próba przesłania światła słonecznego na odległość kilku kilometrów wzdłuż dawnego pasa startowego promu kosmicznego na przylądku Canaveral.
Od science fiction do inżynierii
Pomysł pozyskiwania energii słonecznej w kosmosie i przesyłania jej na Ziemię nie jest nowy. Isaac Asimov opisał go w opowiadaniu „Powód” z 1941 r., a prawdziwym ojcem koncepcji był Peter Glaser, inżynier pracujący przy programie Apollo. W 1968 r. Glaser opublikował w „Science” artykuł „Power from the Sun: Its Future”, w którym przedstawił system satelitarny z panelami słonecznymi o powierzchni wielu kilometrów kwadratowych, rozmieszczonymi na odległej orbicie geostacjonarnej, gdzie satelity mogłyby pracować całą dobę. Wytworzona w ten sposób energia byłaby przesyłana za pomocą ogromnych anten mikrofalowych do naziemnych stacji odbiorczych, zlokalizowanych w pobliżu miast i obszarów przemysłowych, co eliminowałoby wysokie koszty przesyłowe sieci energetycznej.
W latach 70. XX w. dwie amerykańskie instytucje – NASA i Departament Energii – potwierdziły testami, że mikrofale rzeczywiście mogłyby pośredniczyć w przesyłaniu energii na duże odległości. Opracowano wówczas pierwsze całościowe koncepcje słonecznych elektrowni orbitalnych. Panele miały być transportowane przez promy kosmiczne, a następnie montowane przez astronautów. Gdy jednak zaczęto liczyć koszty takiego przedsięwzięcia, okazało się, że są one horrendalne, i szybko zapomniano o pomyśle. Dwie dekady później powrócił do niego John Mankins, były szef Biura Zaawansowanych Projektów NASA, gdzie pracowano nad ideą elektrowni orbitalnych. Na Hawajach przeprowadził eksperyment polegający na przesłaniu niewielkiej dawki energii (ok. 20 W) na odległość 148 km – z jednej wyspy archipelagu na drugą. Dzięki postępowi w badaniach nad ogniwami fotowoltaicznymi koszty budowy elektrowni słonecznej w kosmosie były już wtedy dziesięciokrotnie niższe niż w latach 70., mimo to wciąż olbrzymie. Mankinsowi, który próbował zainteresować młodszych kolegów z NASA tym tematem, odpowiedziano: „Wróć do nas, gdy stanieją rakiety”.
I rakiety w końcu stały się tańsze. Dziś wyniesienie ładunku na orbitę przez Falcona 9 SpaceX kosztuje ok. 20 razy mniej niż w przypadku promów kosmicznych. Nowy gigantyczny pojazd Starship, który ta sama firma testuje od 2023 r. (na razie z różnym powodzeniem – z 11 dotychczasowych prób 6 zakończyło się sukcesem), docelowo będzie transportował ładunki kilkanaście razy taniej niż Falcon 9. Błyskawicznie tanieją też ogniwa fotowoltaiczne – zwykłe i elastyczne. Postęp technologiczny widać także w wielu innych dziedzinach – wytwarzaniu satelitów, automatyce i robotyce. Dzięki materiałom kompozytowym opracowanym dla przemysłu lotniczego i turbin wiatrowych można budować znacznie lżejsze konstrukcje. Trwają też zaawansowane badania nad nadajnikami i odbiornikami mikrofalowymi oraz laserowymi. Kosmiczne elektrownie słoneczne przestały być teorią.
Nowa fala projektów
Ignorowaną przez dekady koncepcję najpierw odkurzyły niewielkie firmy technologiczne. Ich szefowie uwierzyli, że prąd z orbity to wcale nie taka odległa perspektywa. Dekadę temu jedna z nich obiecywała nawet, 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 5 lat umieści na orbicie niewielką elektrownię demonstracyjną o mocy 10–20 kW. Nic z tych ambitnych planów na razie nie wyszło, choć w opublikowanym mniej więcej w tym samym czasie raporcie Pentagonu po raz pierwszy stwierdzono, że technicznie ten pomysł jest już wykonalny, a szybki postęp w kilku dziedzinach może go uczynić opłacalnym do połowy XXI w.
Ostatnie lata to wysyp kolejnych inicjatyw. W 2022 r. w ośrodku badawczym Airbusa w Monachium zakończono sukcesem eksperyment, który sfinansowała Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), a przeprowadzili go naukowcy z nowozelandzkiego start-upu Emrod. Skierowali oni panele fotowoltaiczne w stronę Słońca, a te wyprodukowały energię elektryczną, którą przekształcono w promieniowanie mikrofalowe. Wiązkę mikrofal następnie przesłano na drugi koniec hangaru, oddalony o 36 m. Przesłana energia miała moc 2 kW. Niewiele. Tyle dostarcza w umiarkowanie pochmurny jesienny dzień nieduża instalacja fotowoltaiczna. Gdybyśmy jednak odpowiednio duże – o powierzchni wielu kilometrów kwadratowych – zestawy paneli słonecznych umieścili na orbicie, gdzie nie ma chmur ani nocy, a następnie pozyskaną energię przesłali na Ziemię?
W przypadku Europy, która jest uboga w tradycyjne surowce energetyczne, jest to kusząca perspektywa. Powodzenie monachijskiego testu sprawiło, że ESA opracowała i zgłosiła projekt o nazwie Solaris, który przewiduje przeprowadzenie ok. 2030 r. testu z przesłaniem energii słonecznej z kosmosu na Ziemię, a dekadę później umieszczenie pierwszej elektrowni demonstracyjnej na orbicie geostacjonarnej. Projekt wciąż czeka na zatwierdzenie przez odpowiednie instytucje Unii Europejskiej, a tymczasem zamawiane są kolejne analizy jego opłacalności i wykonalności. Koszty umieszczenia na orbicie niewielkiej elektrowni o mocy 1 MW oszacowano na 15–20 mld euro.
W Japonii takie badania mają długą tradycję – trwają bowiem od ponad 30 lat, a eksperymenty z przesyłaniem mikrofal stają się coraz bardziej zaawansowane. Najnowszy przeprowadzono pod koniec 2024 r. Tym razem inżynierowie z agencji rządowej Japan Space Systems wzbili się w powietrze. Test polegał na przesłaniu strumienia energii za pośrednictwem mikrofal z szybko poruszającego się odrzutowca do anten naziemnych znajdujących się 5 km niżej. Eksperyment był częścią długoterminowego projektu zleconego naukowcom przez japońskie ministerstwo gospodarki, a celem jest wysłanie na orbitę pilotażowej instalacji, co ma nastąpić w ciągu 20 lat. W tyle nie chcą pozostać Chiny, które realizują projekt o nazwie Omega 2.0. Uczestniczący w nim naukowcy przesłali ostatnio na odległość 55 m wiązkę energii o mocy ok. 2 kW.
W Wielkiej Brytanii najbardziej zaawansowany plan realizuje prywatna firma Space Solar, która w 2023 r. dostała od rządu 1,2 mln funtów na dalsze prace – w ramach konkursu, w którym rozdano łącznie 4,3 mln funtów. Flagowa koncepcja Space Solar nosi nazwę Cassiopeia – jest to konstrukcja o szerokości 1,8 km umieszczona w odległości 36 tys. km od Ziemi na orbicie geostacjonarnej, dzięki czemu pozostawałaby nieruchoma nad jednym miejscem, otrzymując światło słoneczne przez ponad 99% czasu. Przetwarzaniem światła na prąd zajmowałyby się miliony modułowych paneli o średnicy ok. 1 m, połączonych w ogromny kolektor. Miliardy anten, umieszczonych pod tymi ogniwami i skierowanych w stronę Ziemi, transmitowałyby tę energię na częstotliwości 2,45 GHz do stacji odbiorczej o powierzchni dużego lotniska pasażerskiego. Na stacji nadchodzące fale radiowe byłyby przetwarzane na prąd stały. „Jedna kosmiczna instalacja miałaby moc 700 MW. Kilkanaście takich stacji mogłoby pokryć zapotrzebowanie na prąd całej Wielkiej Brytanii. Energia płynęłaby całą dobę przez wszystkie dni w roku” – mówi David Homfray, założyciel i główny inżynier Space Solar.
Na początku zeszłego roku jego firma zaprezentowała prototyp orbitalnego robota, który zajmie się konstruowaniem elektrowni. Taki montaż musi się odbywać z olbrzymią precyzją. Błędy w pozycji sąsiednich płyt wynoszące już 0,3 mm wystarczą, by osłabić całą konstrukcję. Homfray zapowiada, że w ciągu trzech następnych lat jego firma przeprowadzi na orbicie dwa eksperymenty – jeden z robotami, które podejmą próbę połączenia kilku większych struktur, i drugi z przesyłaniem energii na Ziemię za pośrednictwem mikrofal.
Jeśli chodzi o to ostatnie wyzwanie, najbardziej zaawansowani są naukowcy ze znanej amerykańskiej politechniki California Institute of Technology (Caltech), której siedziba mieści się w Pasadenie pod Los Angeles. W tym samym mieście znajduje się również ośrodek NASA Jet Propulsion Laboratory. Naukowcy i inżynierowie z obu placówek współpracują przy dziesiątkach projektów kosmicznych, w tym także przy inicjatywie Space-based Solar Power Project, realizowanej od 2013 r. dzięki wsparciu finansowemu kalifornijskiego dewelopera Donalda Brena, który wraz z żoną przekazał na ten cel łącznie 100 mln dol. Trzech profesorów wraz z zespołem asystentów i doktorantów może więc w spokoju projektować i konstruować kolejne elementy przyszłego orbitalnego zakładu energetycznego.
W styczniu 2023 r. na orbitę poleciał pierwszy taki element, nazwany MAPLE (od ang. Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment), składający się z ultralekkich i elastycznych nadajników mikrofal sterowanych podzespołami elektronicznymi, dzięki którym można skoncentrować strumień energii i skierować go w dowolną stronę. Dwa miesiące później przeprowadzono test, najpierw tylko w kosmosie, przesyłając fale pomiędzy nadajnikiem i oddalonym od niego o 30 cm odbiornikiem, który wytwarzał prąd i włączał nim diody LED. Następnie w maju posłano mikrofale w kierunku Ziemi. Zostały przejęte przez odbiornik zlokalizowany na dachu jednego z laboratoriów w Caltechu. Sygnał przybył z orbity niezakłócony i w dokładnie zaprogramowanym czasie.
MAPLE to jeden z trzech głównych eksperymentów prowadzonych w ramach projektu finansowanego przez Brena. Dwa pozostałe nazywają się DOLCE i ALBA. Celem pierwszego jest zbudowanie elastycznej, rozkładanej i superlekkiej struktury przyszłej elektrowni. Docelowo umieszczony w rakiecie pakunek o pojemności 1 m3 będzie się na orbicie przeobrażał w cienką płaską konstrukcję w kształcie kwadratu o boku 50 m, która unosić się będzie w kosmosie niczym latający dywan. Z kolei pod kryptonimem ALBA kryją się testy 32 różnych ogniw fotowoltaicznych. Wyników tych badań jeszcze nie przedstawiono.
Entuzjazm kontra sceptycy
Entuzjazm jednych nie jest podzielany przez innych. Zdaniem sceptyków orbitalny prąd jeszcze długo będzie bardzo drogi. Według jednej z analiz energia pochodząca z kosmicznych farm słonecznych kosztowałaby dziś 12–80 razy więcej niż ta z naziemnych źródeł. Eksperci NASA w swoim najnowszym raporcie z 2024 r. wskazali też na inne bariery. Olbrzymim wyzwaniem byłaby sama operacja wystrzeliwania dziesiątek tysięcy rakiet z elementami takich elektrowni, a następnie serwisowanie i zarządzanie instalacjami, aby nie wpadały na siebie ani na inne satelity. Nie wiadomo nawet, czy takie olbrzymie konstelacje orbitalnych struktur o dużej powierzchni byłyby legalne. Zgodnie z traktatem o przestrzeni kosmicznej z 1967 r. żadne państwo nie może sobie rościć prawa do własności kawałka orbity ziemskiej. Jak w takim razie należałoby traktować wystrzeliwane przez poszczególne kraje obiekty satelitarne o powierzchni liczonej w dziesiątkach kilometrów kwadratowych?
Pomysł konsekwentnie krytykuje fizyk Amory Lovins, jeden z wizjonerów zielonej energetyki oraz efektywności energetycznej, profesor Stanford University. Docenia on największą zaletę orbitalnych elektrowni, czyli to, że mogłyby zapewnić stabilne dostawy prądu bez względu na pogodę i porę dnia, ale jego zdaniem o wiele bardziej opłacalną i technologicznie prostszą inwestycją byłoby stworzenie inteligentnych systemów masowego magazynowania i przesyłania zielonej energii elektrycznej pochodzącej z naziemnych źródeł. „To prawda, że wyniesienie ładunku na orbitę jest dziś znacznie tańsze niż ćwierć wieku temu, ale od tego czasu gigantyczny krok do przodu wykonała również branża ogniw fotowoltaicznych. Ich ceny gwałtownie spadły. Postęp jest tu gigantyczny” – komentował niedawno na łamach prasy. 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 przesyłania mikrofal.
Oliwy do ognia dolała jeszcze najnowsza propozycja amerykańskiego start-upu Reflect Orbital, który planuje rozmieszczenie gigantycznych luster na niskiej orbicie okołoziemskiej, aby odbijały światło słoneczne na nocną część Ziemi. Miałaby to być alternatywna propozycja wobec energetyki orbitalnej. Założyciele firmy – grupa młodych inżynierów z doktoratami obronionymi na kalifornijskich uczelniach – przekonują, że dzięki satelitarnym lustrom można by wydłużyć produkcję energii słonecznej o godziny zmierzchu. Ich pierwszy demonstracyjny satelita, któremu nadano nazwę Earendil-1, miałby rozłożyć wykonane z mylaru lustro o wymiarach 18 x 18 m. Start-up skierował już nawet wniosek do U.S. Federal Communications Commission o wydanie licencji na ten start, przewidywany na pierwszą połowę tego roku. W kolejnych dwóch latach zaplanowano kilkanaście takich lotów, a docelowo wokół Ziemi krążyłoby kilka tysięcy takich luster. W zeszłym roku w ramach testu Reflect Orbital podwiesił wielkie lustro pod balon. Gdy ten się uniósł, reflektor skoncentrował światło słoneczne i skierował je w stronę naziemnych ogniw fotowoltaicznych.
Tymczasem pomysłem są zaniepokojeni astronomowie. Twierdzą, że takie lustra byłyby kilka razy jaśniejsze od Księżyca w pełni. „Stracilibyśmy możliwość obserwacji dużych fragmentów nocnego nieba. To byłaby katastrofa” – ostrzegł Robert Massey, wiceprezes Royal Astronomical Society, w rozmowie z serwisem internetowym Space.com. Obawy wyrażają również biolodzy. Zwracają oni uwagę, że sztuczne światło dezorientuje ptaki, a lustra w kosmosie kierujące światło słoneczne w stronę Ziemi tylko wzmocniłyby ten efekt. Choć lista zastrzeżeń rośnie z każdym miesiącem, Reflect Orbital twierdzi, że ma już zapewnione finansowanie pierwszych testów orbitalnych, a to dzięki grantowi w wysokości 1,25 mln dol., który otrzymał od… amerykańskiego wojska.
Przeciwnicy umieszczania na bliskich i dalszych orbitach okołoziemskich wszelkich elektrowni i luster słonecznych konsekwentnie powtarzają, że jedno i drugie jest bez sensu, jeśli chodzi o opłacalność i łatwość produkcji prądu. „Są znacznie prostsze i tańsze sposoby pozyskiwania energii słonecznej. Poustawiajmy więcej ogniw na dachach i uzupełnijmy je o banki energii. To naprawdę wystarczy” – mówi Lovins.