Jednu z najväčších prekážok efektívnejšieho využívania slnečnej energie na výrobu elektriny pozná azda každý: Slnko na Zemi v noci nesvieti. Výskumníci hľadajú spôsoby, ako túto nevýhodu kompenzovať, lebo odstrániť ju nemožno. Našťastie existuje miesto, kde Slnko svieti stále – obežná dráha.
Európska vesmírna agentúra (ESA) plánuje podporiť program na výskum praktických detailov projektu solárnej elektrárne na obežnej dráhe okolo Zeme, nazvaný Solaris. Hoci na využití obnoviteľných zdrojov energie vo vesmíre nezávisle pracujú rôzne výskumné inštitúcie a vesmírne agentúry vo svete, Solaris by bol prvým takýmto projektom, ktorý by vyústil do konkrétneho plánu.
Obdoba letu na Mesiac
Elektráreň vo vesmíre by mohol tvoriť jediný satelit s výnimočnými rozmermi – predpokladá sa, že keby bol dlhý aspoň jeden kilometer a po oboch stranách by držal polia solárnych panelov tak, aby celok tvoril obrovský štvorec, mohla by takáto solárna farma vyprodukovať približne 2 GW energie. To zodpovedá výkonu pozemskej jadrovej elektrárne. Na porovnanie: najvyššia budova na svete nemeria ani kilometer a najväčšia štruktúra, akú ľudia dosiaľ postavili vo vesmíre, Medzinárodná vesmírna stanica, meria na dĺžku 108 m.
K podobným výpočtom ako experti z ESA prednedávnom dospeli aj autori inej štúdie zadanej britskou vládou. S jedným rozdielom: kým britskí experti odhadujú stavbu takéhoto mamutieho satelitu do roku 2040, v ESA sú väčší optimisti. Hlavný vedecký koordinátor iniciatívy Solaris Sanjay Vijendran tvrdí, že ak sa na projekt zamerajú finančné prostriedky a politická podpora, stavbu vesmírnej elektrárne by bolo možné zvládnuť do desiatich rokov – podobne, ako keď americký prezident J. F. Kennedy v roku 1961 vyhlásil cieľ do konca dekády dostať človeka na Mesiac. Myšlienka slnečnej energie z vesmíru už nie je sci-fi, uviedol S. Vijendran pre BBC. Mohla by to byť obdoba letu na Mesiac pre našu generáciu.
Bezdrôtový prenos
Slnečné svetlo je na vrchu atmosféry v priemere viac ako desaťkrát intenzívnejšie ako na povrchu Zeme, pripomínajú vedci na stránkach ESA. Na dostatočne vysokej obežnej dráhe by bolo slnečné svetlo navyše nepretržite dostupné. Tak by bolo možné zachytávať všetko dostupné slnečné svetlo, ktoré by sa mohlo vysielať do prijímacích staníc po celej planéte, kdekoľvek by bolo potrebné.
Pochopiteľne, presun energie z geostacionárnej obežnej dráhy na Zem pomocou káblov je nereálny. Vedci preto navrhujú elektrickú energiu vytvorenú vo fotovoltických článkoch na obežnej dráhe bezdrôtovo prenášať vo forme mikrovĺn s frekvenciou 2,54 GHz do špeciálnych prijímacích staníc na zemskom povrchu. V nich by sa menila späť na elektrinu a dodávala do bežnej siete. Tím Solarisu demonštroval takýto bezdrôtový mikrovlnný prenos energie v septembri 2022 v továrni X-Works spoločnosti Airbus v Mníchove medzi dvoma bodmi vzdialenými 36 metrov. Prijatá energia sa použila na osvetlenie modelu mesta a na výrobu zeleného vodíka štiepením vody. Podľa vedecko-popularizačného internetového magazínu Scitechdaily dokonca poslúžila na výrobu prvého bezdrôtovo chladeného nealkoholického piva na svete v chladničke predtým, ako sa podávalo prítomnému publiku.
Vychladenie piva prenosom 2 kW energie na vzdialenosť 36 metrov je jedna vec, posielať gigawatty energie na vzdialenosť 35 000 kilometrov bude predsa len čosi iné. Podľa Jeana Dominiqua Costa, manažéra spoločnosti Airbus, to však nie je nemožné. Náš tím vedcov nenašiel žiadne technické prekážky, ktoré by nám bránili v získaní slnečnej energie z vesmíru, povedal J. D. Coste pre BBC News.
Nič sa neupečie
Aký vplyv na prostredie na Zemi by takáto mikrovlnná operácia v obrovskom rozsahu mohla mať? Niektoré aspekty ešte bude potrebné skúmať, napríklad možný vplyv na leteckú dopravu, na navigáciu vtákov v zóne prenosu a pod. Podľa expertov ESA však určite nehrozí, že by mohli mikrovlny napríklad zvyšovať teploty v atmosfére či na povrchu Zeme. V takom prípade by totiž projekt pracoval proti svojmu základnému cieľu, ktorým je prispieť k zmierňovaniu globálneho oteplenia.
Slnko nepretržite vyžaruje na Zem približne 170 000 TW energie, pričom asi 70 % z nej absorbujú atmosféra a povrch a zhruba 30 % sa odráža späť do vesmíru. Aj keby sme rozmiestnili 1 000 satelitov na výrobu slnečnej energie, z ktorých každý by na Zem vyslal 2 GW energie, pridalo by to len 0,001 % dodatočnej energie k slnečnému žiareniu. Samotný slnečný výkon sa počas 11-ročného cyklu mení 100-krát viac, teda približne o 0,1 %, uvádza sa na stránkach ESA.
Väčšina návrhov prenosu energie z vesmíru ráta s maximálnou hustotou výkonu v strede lúča približne 250 W/m2 (každý, kto stojí na rovníku Zeme na poludnie, je vystavený 1 000 W/m2 zo Slnka). Hustota výkonu by smerom von z lúča klesala a na jeho okraji by dosahovala menej ako 10 W/m2. Európska únia stanovuje limit bezpečného vystavenia mikrovlnám na 50 W/m2. Prístup do centrálnej oblasti lúča v pozemnej stanici by bol obmedzený rovnako, ako je to vo väčšine energetických zariadení. Vonkajšia oblasť lúča sa podľa expertov ESA bude môcť bezpečne využívať aj na vedľajšie účely, napríklad na pestovanie plodín. Podľa Raya Simpkina, hlavného vedeckého pracovníka spoločnosti Emrod, ktorá sa zaoberá systémami bezdrôtového prenosu energie, je táto technológia jednoducho bezpečná: Nič sa neusmaží.
Preteky s otvoreným koncom
Základná koncepcia satelitov využívajúcich slnečnú energiu a prenosu energie z vesmíru na Zem je známa od roku 1968, keď ju ako prvý predstavil československo-americký fyzik a aerokozmický inžinier Peter Glaser (1923 – 2014). Projekty satelitov, ktoré by energiou zásobovali Zem, začali vzápätí nato teoreticky skúmať okrem Japonska či USA aj v bývalom ZSSR. Až súčasné technológie však umožňujú, aby sa takéto projekty dostávali do praktickej fázy. Súbežne s tým, ako stúpa efektivita fotovoltických sústav, klesajú ceny vesmírnych letov vďaka novej generácii nosných rakiet, ktoré sa vracajú na Zem a dajú sa opakovane používať. Pokročilá robotika a automatizácia zároveň dávajú nádej, že bude technicky možné a ekonomicky udržateľné na obežnej dráhe zostavovať obrovské panelové polia a udržiavať ich v prevádzke.
Na bezdrôtovom prenose energie pracujú v súčasnosti okrem ESA rôzne vedecké a technické tímy z USA, Japonska, Číny a ďalších krajín. V júni minulého roku napríklad vedci z univerzity v čínskom meste Si-an dokončili testovanie a kontrolu svojej vlastnej pozemnej sústavy na prijímanie energie z vesmíru. Univerzita v Si-ane je súčasťou projektu OMEGA, ktorý na riešení vesmírnej solárnej elektrárne pracuje od roku 2014. Tím OMEGA medzitým tiež úspešne prenášal energiu vo forme mikrovĺn na vzdialenosť približne 55 metrov. Americká vesmírna agentúra NASA od roku 2012 pracuje na svojom vlastnom projekte s názvom SPS-ALPHA (Satelit na solárnu energiu prostredníctvom ľubovoľne veľkého fázového poľa). Projekt by mal podľa NASA umožniť konštrukciu obrovských platforiem z desiatok tisíc malých prvkov, ktoré môžu na diaľku a za prijateľnú cenu dodávať 10 až 1 000 megawattov pomocou bezdrôtového prenosu energie na trhy na Zemi a misie vo vesmíre.
Zatiaľ nevedno, kto v pomyselných pretekoch o prvú elektráreň na obežnej dráhe zvíťazí. Podľa odborníkov by sa tak však malo stať čo možno najskôr, ak chce svet znížiť svoju závislosť od fosílnych palív a postupne sa dopracovať až k nulovým emisiám CO2. Európa, ktorú v týchto pretekoch zastupuje ESA, si takýto cieľ stanovila už na rok 2050.
R
