Vize energie z kosmu brzy realitou?

ABSTRACT: To the excitement of science fiction writers, the extraction of energy from space with solar power satellites is beginning to take on a concrete shape.

Pokračují také snahy zrealizovat představu autorů vědeckofantastické literatury, kteří sní o získávání energie z kosmického prostoru. Za titulkem tohoto článku máme sice otazník, ale nejnovější informace jsou slibné.

Z DRUŽICE NA ZEM

Nápad získávat solární energii ve vesmíru a dodávat ji na zemský povrch existuje již desítky let. Koncept solární družice (SPS) byl vynalezen koncem 60. let 20. století Dr. Peterem Glaserem. Je to elegantní řešení: řada obrovských platforem by byla umístěna ve vesmíru na vysoké oběžné dráze Země, aby nepřetržitě shromažďovaly sluneční energii a měnily ji na elektřinu. Ta by pak byla použita k pohonu systémů bezdrátového přenosu energie, které přenášejí sluneční energii do přijímačů na Zemi. Díky své odolnosti vůči počasí a měnícím se ročním obdobím má koncept SPS potenciál dosáhnout mnohem větší energetické účinnosti než pozemní solární systémy.

Rané architektury SPS však byly technicky složité a nebyly ekonomicky životaschopné. Důvodů bylo několik: například nízká technologická vyspělost, nadměrná hmotnost, finanční náklady větší, než kolik činily náklady na vývoj a výrobu Mezinárodní vesmírné stanice atd.

V letech 2011–2012 odstartoval program Innovative Advanced Concepts (NIAC) amerického Úřadu pro kosmonautiku a letectví (NASA), jenž zahrnuje nový transformační přístup ke konceptu vesmírné solární energie: SPS-ALPHA (Solar Power Satellite prostřednictvím Arbitrarily Large Phased Array). Tento koncept představuje radikálně odlišný přístup proti předchozím řešením. SPS-ALPHA je biologicky inspirovaná architektura, analogická včelímu úlu nebo kolonii mravenců. V tomto případě bude sestaveno velké množství hromadně vyráběných modulů třídy „malé družice“ do jedné obrovské platformy.

SPS-ALPHA by byla umístěna na geostacionární oběžné dráze Země. Tam by zachycovala sluneční světlo pomocí sady jednotlivě zahrocených tenkovrstvých zrcadel, přeměňovala by jej přes velké radiofrekvenční zařízení na koherentní, mikrovlnný paprsek, kterým by energie putovala na zemský povrch.

Fotovoltaika na oběžné dráze nebude omezena nástupem noci. Družice na geostacionární oběžné dráze – ve výši na rovníkem kolem 36 000 km nad Zemí – je vystavena Slunci po více než 99 % času během celého roku. To umožňuje vyrábět zelenou energii 24/7.

Velkým technickým problémem je přenos energie z vesmíru na zemský povrch. Umožní to mikrovlny. Mikrovlnný paprsek vysílaný satelitem bude zaměřen směrem k pozemní stanici, kde antény přemění elektromagnetické vlny zpět na elektřinu. Pozemní stanice budou muset mít průměr 5 km nebo více a budou umístěny ve vysokých zeměpisných šířkách. To je však stále menší než plocha půdy potřebná k výrobě stejného množství energie pomocí tradičních postupů využívajících slunce nebo vítr.

A dalším problémem jsou ztráty. Energie získané na satelitu v kosmu se několikrát přeměňuje (světlo na elektřinu, mikrovlny na elektřinu) a část se ztrácí jako teplo. V případě, že by se z kosmu měly dodat 2 GWh energie do pozemní distribuční sítě, musel by solární satelit shromáždit přibližně 10 GWh energie.
 

Princip získávání energie z kosmu

Zdroj: NASA

Takto si představuje solární elektrárnu projekt MAPLE. 

Zdroj: Caltech

Experiment americké armády s přenosem energie z kosmu na zem byl úspěšný.

Zdroj: US army

PAPRSKY NADĚJE

Začátkem letošního roku spustili vědci z kalifornského Caltechu malý satelitní experiment MAPLE, který dokázal, že tato technologie může být použita k dodání energie na Zemi.

Bezdrátového přenosu energie bylo dosaženo pomocí Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE), pole flexibilních a lehkých vysílačů mikrovlnné energie, což je jeden ze tří nástrojů nesených Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).

SSPD-1 byla vypuštěna letos v lednu jako součást projektu Space Solar Power Project (SSPP) Kalifornského technologického institutu (Caltech), jehož primárním cílem je získávat sluneční energii ve vesmíru a následně ji přenášet na povrch Země.

Není to první úspěšný experiment tohoto typu. Už před dvěma lety oznámila americká armáda, že úspěšně vyzkoušela zařízení vyvinuté americkou Námořní výzkumnou laboratoří (Naval Research Laboratory, NRL) ve Washingtonu. Jednalo se o fotovoltaický radiofrekvenční anténní modul, zkráceně PRAM. Je to výsledek vývoje „sendvičových“ modulů, kde jedna strana přijímá solární energii pomocí fotovoltaického panelu, elektronika uprostřed převádí tento stejnosměrný proud na vysokofrekvenční signály a druhá strana má anténu pro přenos energie. K přenosu energie by se v budoucnu mohly také využívat laserové paprsky. Tak by se energie mohla distribuovat na těžce dostupná místa na zemském povrchu nebo na Měsíci. Tým z NRL, přenesl v jiném experimentu pomocí mikrovln 1,6 kW elektrického výkonu na vzdálenost jednoho kilometru. Jako vysílací anténa sloužila parabola, která umožňuje přesné zaostření paprsku. Na straně přijímače byla použita usměrňovací anténa. Přicházející elektromagnetické vlny se pak pomocí diody přeměňují na stejnosměrný proud. Americké Ministerstvo obrany chce tímto způsobem zásobovat energií nasazené jednotky, které se tak stanou nezávislými na místních energetických zdrojích.
 

Vysílací anténa

Energie získaná solárním satelitem by se mohla přenášet mikrovlnným paprskem nebo laserem.

Zdroj: NRL

NA MĚSÍČNÍM POVRCHU

Rovněž využití Měsíce skýtá zajímavé možnosti, kdy např. by mohla být generována téměř neomezená dodávka elektřiny na jeho povrchu pomocí obrovských polí solárních článků a na Zem by se vysílala laserem. Sluneční světlo dopadající na kráter by mohlo vyprodukovat výkon 10 000 až 100 000 MW. Pro srovnání, velká vodní elektrárna na Zemi by mohla dosáhnout výkonu asi 100 MW. Solární články by byly účinnější na Měsíci než na Zemi.

O této vizi se diskutovalo už před 60 lety. Na Měsíci zatím nejsou žádné solární panely, ale vědci stále hledají způsoby, jak tuto myšlenku zrealizovat. Zpráva NASA z roku 2012 navrhla zvonovitý satelit se solárními články, který by mohl dodávat sluneční energii Zemi, přičemž jeho vypuštění stojí zhruba 20 miliard dolarů. Čína plánuje do roku 2025 spustit malé solární elektrárny do stratosféry, Japonsko se zaměřuje na podobnou jednogigawattovou solární elektrárnu, která prý vyrobí tolik energie jako typická jaderná elektrárna na Zemi.

Hlavní překážkou dlouhodobých misí nebo stálých základen na Měsíci je 14denní lunární noc, kdy denní teploty klesnou ze 120 °C na –130 °C. Tato kombinace mrazivého chladu a tmy znamená, že stroje a základny se budou muset se spoléhat na využití jaderné energie.

Dosavadní výzkum ukazuje, že v úvahu přicházejí jaderné reaktory. Povzbudivě působí výsledky vědců na Bangorské univerzitě ve Walsu. Zdejší tým pod vedením profesora jaderných materiálů a spoluředitele Institutu jaderné budoucnosti Simona Middleburgha Bangor vyvíjí palivo TRISO, které by bylo vhodné pro měsíční reaktory vyvíjené společností Rolls Royce a dalšími firmami. Nejen, že může být použito pro energetické reaktory, ale i pro budoucí jaderné pohonné systémy.

Takové reaktory nepřipomínají velké reaktory používané na Zemi, které mají palivové tyče. Jedná se o velmi malé reaktory, které využívají strukturální izotropní palivo TRISO. Jeho palivové částice velikosti máku jsou vytvořeny 3D tiskem z obohaceného uranu, uhlíku a kyslíku s uranovým jádrem utěsněným uvnitř vrstev uhlíku a keramiky. Na rozdíl od palivových tyčí jsou tyto částice extrémně pevné a zvládají velmi vysoké teploty, jsou také odolné proti poškození neutronovým zářením, korozi a oxidaci.

„Na Měsíci a na planetárních tělesech, která mají den a noc, se již nemůžeme spoléhat na energii Slunce, a proto musíme navrhnout systémy, jako je malý mikroreaktor, abychom tam udrželi život. Jaderná energie je jediný způsob, jak v současnosti musíme poskytnout energii na takovou délku cesty vesmírem. Palivo musí být extrémně robustní a přežít tlaky startu a pak být spolehlivé po mnoho let,“ říká prof. Simon Middleburgh.

Očekává se, že kolem roku 2030 bude fungovat základna na Měsíci. Tým Bangor, který je světovým lídrem v oblasti paliv, spolupracuje s tak renomovanými partnery, jako je Rolls Royce, Britská vesmírná agentura, NASA a Los Alamos National Laboratory v USA. Britská vláda podepsala s universitou dohodu o jaderné energii na Měsíci v hodnotě 2,9 milionu liber.

Prof. Middleburgh doufá, že jeho tým jaderné palivo plně otestuje „během několika příštích měsíců“. Na setkání s novináři řekl: „Měsíc je považován za bránu na Mars, obsahuje spoustu cenných zdrojů, potřebných pro moderní technologie. Doufáme, že by mohl být použit jako odrazový můstek k dosažení planet za nimi. Navíc doufáme, že by energetické mikrogenerátory mohly být použity i zde na Zemi, například v oblastech katastrofy, kdy byly přerušeny zdroje elektřiny.“