211service.com
Beam It Down
Ve vesmíru slunce vždy jasně svítí. Žádné mraky neblokují sluneční paprsky a není žádná noc. Solární kolektory namontované na obíhající družici by tak generovaly energii 24 hodin denně, 365 dní v roce. Pokud by tato síla mohla být přenesena na Zemi, pak by světové energetické problémy mohly být navždy vyřešeny.
Satelity solární energie (SPS) původně navrhl jako řešení ropných krizí v 70. letech česko-americký inženýr Peter Glaser, tehdy ve společnosti Arthur D. Little. Glaser si představoval pole solárních článků o rozloze 50 kilometrů čtverečních rozmístěných na satelitech obíhajících 36 000 kilometrů nad pevnými body podél rovníku. Družici v této geosynchronní výšce trvá oběh kolem Země 24 hodin, a tak zůstává po celou dobu fixován nad stejným bodem na Zemi.
Myšlenka to byla elegantní. Fotovoltaické články na satelitu by přeměnily sluneční světlo na elektrický proud, který by zase napájel palubní mikrovlnný generátor. Mikrovlnný paprsek by putoval vesmírem a atmosférou. Na zemi by řada usměrňovacích antén nebo rectennas shromažďovala tyto mikrovlny a extrahovala elektrickou energii, buď pro místní použití, nebo pro distribuci prostřednictvím konvenčních rozvodných sítí.
Technologie, jak se původně předpokládalo, představovalo skličující technické překážky. Efektivní přenos elektrické energie z družice na geosynchronní oběžné dráze by vyžadoval vysílací anténu na palubě družice o průměru asi jeden kilometr a přijímací anténu na zemi o průměru asi 10 kilometrů. Projekt takového rozsahu otřese mysl; vládní finanční agentury se vyhýbaly investicím nesmírných částek do projektu, jehož životaschopnost byla tak nejasná. NASA a ministerstvo energetiky, které sponzorovaly předběžné konstrukční studie, ztratily na konci 70. let zájem.
V posledních několika letech však komunikační průmysl oznámil satelitní projekty, které naznačují, že nastal čas přehodnotit myšlenku solárního satelitu. Začátkem příštího století budou kolem Země obíhat roje komunikačních satelitů v nízké výšce a přenášet hlas, video a data do nejvzdálenějších míst na Zemi. Tyto satelity budou přenášet komunikační signály na Zemi pomocí paprsků mikrovln. Přenos elektrické energie paprskem mikrovln byl demonstrován již v roce 1963 a promítání výkonu a dat podél stejného mikrovlnného paprsku je v souladu se současným stavem techniky. Proč nepoužít stejný paprsek k přenášení elektrické energie?
Nové komunikační satelity budou obíhat ve výšce pouhých několika set mil. Namísto toho, aby se vznášely nad místem na rovníku, satelity na nízké oběžné dráze obeplouvají zeměkouli za pouhých 90 minut a sledují dráhy, které oscilují kolem rovníku, stoupají a klesají až o 86 stupňů zeměpisné šířky. Vzhledem k tomu, že jsou blíže k zemskému povrchu, sluneční kolektory na satelitu mohou mít průměr několik set metrů, nikoli 10 kilometrů. A protože mikrovlnné paprsky, které generují, by se šířily mnohem méně než ty z geosynchronních satelitů, pozemní rektenna by mohly být odpovídajícím způsobem menší a levnější. Napojením na tyto flotily komunikačních satelitů – a využitím jejich mikrovlnných vysílačů a přijímačů, pozemních stanic a řídicích systémů – se technologie solární energie může stát ekonomicky životaschopnou.
Nízká oběžná dráha Země však přináší své vlastní potíže. Vzhledem k tomu, že družice na nízké oběžné dráze krouží kolem planety tak rychle, musí mít sofistikované počítačem řízené systémy pro nastavení cíle mikrovlnného paprsku tak, aby přistál na přijímací stanici. Tyto satelity budou muset používat sofistikované elektronické systémy, nazývané fázovaná pole, k neustálému přesměrování odcházejícího paprsku.
Energie pro rozvoj
Poptávka po vesmírné solární energii by mohla být mimořádná. Do roku 2050 bude podle některých odhadů na světě žít 10 miliard lidí, z toho více než 85 procent v rozvojových zemích. Velká otázka: Jak můžeme nejlépe uspokojit rostoucí energetické potřeby lidstva s co nejmenším nepříznivým dopadem na životní prostředí?
Hledáte levný start
Jedním z důležitých aspektů při plánování vesmírné energie jsou náklady na uvedení satelitu na oběžnou dráhu. Právě teď stojí vynesení objektu do vesmíru tisíckrát víc než jeho přelet po zemi komerčním dopravním letadlem, i když tyto dvě práce vyžadují zhruba stejné množství energie – asi 10 kilowatthodin na kilogram užitečného zatížení. Tyto dodatečné náklady tvoří dva faktory: armáda inženýrů a vědců potřebná pro úspěšný start do vesmíru a praxe odhazování velké části nosné rakety po každém letu.
Náklady na vypouštění však pravděpodobně klesnou, protože se zvyšuje poptávka po pravidelném vytahování velkých objemů materiálu do vesmíru: čím častěji je nosný systém používán, tím nižší jsou náklady na použití. NASA navíc hledá novou generaci opakovaně použitelných nosných raket. Agentura nedávno sponzorovala soutěž mezi dodavateli leteckého průmyslu o vesmírné vozidlo s potenciálem pro provoz podobný leteckému. Vítězem se stal Lockheed Martin Skunk Works, legendární inovátoři v designu letadel od U-2 po stíhačku Stealth. Lockheed Martin plánuje postavit a otestovat znovupoužitelný X-33 ve tvaru klínu v hodnotě 1 miliardy dolarů – verzi o poloviční velikosti a osminové hmotnosti nosné rakety s názvem Venture Star, která by nahradila raketoplán pro převoz nákladu na nízkou oběžnou dráhu. Cílová cena startu je 2 200 dolarů za kilogram, což je jedna desetina startu raketoplánu. Za tuto cenu by se vesmírná energie mohla stát nákladově efektivní, pokud by satelity fungovaly jako komunikační relé a solární zdroje energie.
Satelit na solární energii by měl rychle splatit energii potřebnou k vynesení na oběžnou dráhu. Začněte s konzervativním předpokladem, že satelitní technologie solární energie by vyprodukovala 0,1 kilowattu elektřiny na zemi na kilogram hmoty na oběžné dráze. V takovém případě by energetický výdej 10 kilowatthodin na kilogram na vynesení satelitu na oběžnou dráhu byl splacen elektřinou již po 100 hodinách – necelých pěti dnech.
Jedním ze způsobů, jak snížit náklady na start, je použití nafukovací konstrukce jako solárního kolektoru. Tím by se maximalizovala plocha kolektoru – důležitá pro shromažďování největšího množství sluneční energie – aniž by to znamenalo velké zatížení nosné rakety. Vypuštěné sluneční kolektory bylo možné složit do kompaktního prostoru na palubě kosmické lodi; jednou na oběžné dráze by plyn z tlakové nádoby nafoukl strukturu.
Balónky ve vesmíru jsou starý příběh. Ve skutečnosti byla družice z roku 1960 známá jako Echo I balónem používaným k odrážení rádiových vln zpět na Zemi. NASA nyní studuje proveditelnost nafukovacích struktur ve vesmíru pro antény, slunečníky a solární pole, i když ne výslovně pro satelitní systémy solární energie. Důležitým experimentálním milníkem bylo úspěšné nasazení astronautů Space Shuttle Endeavour v květnu 1996 experimentu Spartan Inflatable Antenna Experiment – 14metrové antény nafouknuté kanystrem s dusíkem na oběžné dráze.
Od takového experimentu k satelitu sbírajícím sluneční záření, který by bylo možné sestavit na oběžné dráze z nafouknutých segmentů, není tak velký krok. Pokud by NASA učinila z výzkumu nafukovacích vesmírných struktur vysokou prioritu, znalostní základna pro výrobu nákladově efektivních satelitů s nízkou hmotností by se mohla rychle vyvíjet.
Krok za krokem
Zpočátku by se sluneční energie přenášená z vesmíru používala pouze k zajištění minimálního elektrického výkonu potřebného k provozu elektroniky přijímací stanice na zemi – podobně jako proud ze sítě napájí konvenční telefony. Nakonec by satelity přenesly větší množství energie, což by mohlo poskytnout megawatty elektřiny, které by podstatně přispěly k napájení vesnice nebo dokonce města.
Škálování na vyšší úrovně výkonu by bylo přímočaré a znamenalo by to jednoduše nasazení většího množství solárních kolektorů ve vesmíru. Energie by se přenášela prostřednictvím infrastruktury vysílačů a přijímačů, které pak budou na místě pro satelitní komunikační systémy. V tomto ohledu má mikrovlnný přenos rozhodující výhodu oproti konvenčním kabelovým způsobům přenosu výkonu. Mikrovlnný systém, který je z 80 procent účinný při odesílání 1 kilowattu, bude stále 80 procent účinný při odesílání 1 megawattu. To se zásadně liší od elektrického vedení, kde potřebujete silnější a dražší dráty, abyste přenesli více energie. Pokud kabelem prochází příliš mnoho energie, roztaví se izolace.
Někteří se obávají, že síť solárních družic by mohla proměnit atmosféru v jednu velkou mikrovlnnou troubu, která uvaří vše, co se dostane do dráhy paprsku. Ve skutečnosti by mikrovlnné intenzity, které navrhujeme, byly řádově pod prahem, při kterém se objekty začínají zahřívat. Lidé by byli vystaveni mikrovlnným úrovním srovnatelným s mikrovlnnými troubami a mobilními telefony. Zatímco někteří kritici spekulují, že mikrovlny představují netepelnou hrozbu pro lidské zdraví, neexistují žádné spolehlivé epidemiologické důkazy pro nepříznivé účinky mikrovln na těchto nízkých úrovních. Vyšší úrovně mikrovlnného záření by byly nalezeny v rektennách, na které jsou paprsky zaměřeny, ale ploty a výstražné značky by mohly vymezit tyto oblasti možného nebezpečí. Ale podle našich výpočtů by mikrovlnné intenzity i na obvodu rectenna spadali do rozsahu, který nyní Úřad pro bezpečnost a ochranu zdraví považuje za bezpečný.
Větším potenciálním problémem je sdílení omezených frekvencí v mikrovlnném spektru. Motorola se například dostala pod palbu, protože její plánovaný systém bude využívat frekvence v rozsahu 1,616 až 1,626 GHz, což téměř překrývá frekvenci 1,612 GHz, na kterou se astrofyzici naladí při shromažďování dat o vesmíru. Radioastronomové se obávají, že rušení družice sluneční energie přehluší poměrně slabé signály, které se snaží detekovat. Motorola slibuje, že omezí přelévání svých komunikačních paprsků do frekvenčního výklenku radioastronomů, ale tento problém podtrhuje skutečnost, že mikrovlnné spektrum je omezený zdroj, který si žárlivě hlídají komerční i neziskoví uživatelé. Alokace spektra musí být řešena rychle a efektivně, aby nedošlo k preempci technologie vesmírné energie ještě před jejím zrozením.
Zda se solární družice stanou realitou, bude v konečném důsledku záviset na ochotě telekomunikačních a elektroenergetických společností vstoupit do podnikání s vesmírnou energií. Ani jedno odvětví zatím neprojevilo velký zájem. Ale pak si z větší části neuvědomují komerční možnosti. Člověk musí vědět, že existuje možnost si to vybrat. Před třiceti lety byly komunikační družice novinkou. Před deseti lety o internetu nikdo neslyšel.
Jisté je, že současný tlak na deregulaci vedl k tahanici na straně telekomunikací, počítačů, kabelové televize a utilit, aby vstoupily na trhy ostatních. Některé elektroenergetické společnosti chtějí vstoupit do telekomunikačního byznysu jako způsob, jak zúročit obrovské investice do drátů a kabelů, které se dostávají prakticky do každé budovy v zemi. Stejně tak dává smysl navrhnout, aby komunikační společnosti vstoupily do energetiky. V praxi mohou konsorcia energetických a komunikačních společností vyvíjet navrhovanou technologii společně.
Žádný kus této technologie nepředstavuje zásadní kámen úrazu. Fyzika fotovoltaických článků a mikrovlnné generace jsou dobře známy. Přechod do další fáze však bude vyžadovat demonstraci, že všechny části tohoto systému mohou spolupracovat: solární panely, mikrovlnné antény s fázovým polem, přijímací stanice, které oddělují datové signály od energetických paprsků, a počítače, které satelitům řeknou, kam na zemi mají namířit paprsky. NASA by mohla tento vývoj ohromně urychlit umístěním prototypu solárního satelitu na oběžnou dráhu.
Výhody jsou příliš velké, než aby se od nich dalo odejít. Síť solárních družic, jako je to, co navrhujeme, by mohla dodávat Zemi 10 až 30 bilionů wattů elektrické energie – dostačující k uspokojení potřeb lidské rasy v příštím století. Solární družice tak nabízejí vizi, ve které se výroba energie pohybuje mimo zemský povrch, což umožňuje každému žít na zelenější planetě. Zvažte filozofické důsledky: lidstvo již nepotřebuje, aby bylo uvězněno na vesmírné lodi Země s omezenými zdroji. Mohli bychom využít neomezené zdroje vesmíru a planetu zachovat jako neocenitelný zdroj biologické rozmanitosti.