Kosmose visada saulėta – energetinės revoliucijos planas

Perskaičius, kad Japonija ketina statyti elektrines kosmose, sukilo smalsumas, kaip visa tai bus įgyvendinta. Tikimės, daugiau, nei 40 metų šiai sričiai pašventusio prof. Susumu Sasaki straipsnis atsakys į daugelį klausimų.

Įsivaizduokite, žvelgiate į Tokijo įlanką iš aukštai ir uoste regite žmogaus sukurtas 3 km ilgio salas. Milžiniškas tinklas driekiasi virš salos, apkaišytas 5 milijardais mažyčių rektifikavimo antenų, verčiančių mikrobangų energiją nuolatine elektros srove. ar saloje stovi pastotė, siunčianti elektrą povandeniniu kabeliu į Tokiją, kur ji maitina Keihin pramoninę zoną ir Shibuya rajone skaisčiai šviečiančius neono žibintus.

Bet įdomiausios dalies negalėtumėte matyti. Keletas didžiulių saulės kolektorių geosinchroninėje orbitoje siunčia mikrobangas į salą iš 36 000 km aukščio.

Tai buvo daugelio ankstesnių tyrimų ir dešimtmečių mokslinės fantastikos objektas, bet kosmose Saulės energijos išgavimas kosmose pagaliau tampa realybe – ir remiantis Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) vertinimais, tai turėtų įvykti per 25 metus. Agentūra, pirmaujanti pasaulyje kosmose įkurtų Saulės energijos sistemų srityje, dabar turi technologijų planą, kuriame numatytos antžeminės ir orbitinės demonstracijos, kol ketvirtajame šio amžiaus dešimtmetyje bus pastatyta 1 GW komercinė sistema – maždaug vidutinės atominės elektrinės galios.

Be abejonės, tai labai ambicingas planas. Bet techninių ir socialinių faktorių kombinacija suteikia jam palaikymą, ypač Japonijoje. Iš techninės pusės, dabartiniai pasiekimai bevielių energijos perdavimų srityje leidžia koordinuotai judinti antenas, taip siunčiant stiprų spindulį toli. Tuo pat metu padidėjęs visuomenės susirūpinimas šiltnamio efektą sukeliančių dujų, atsirandančių deginant iškastinį kurą, poveikiu klimato kaitai, skatina ieškoti alternatyvų. Atsinaujinančios energijos technologijos, naudojančios Saulės ir vėjų energiją nuolat tobulėja, tačiau dideli fotoelementų ir vėjo turbinų laukai užima didžiulius sausumos plotus ir energiją teikia su pertrūkiais. Tuo tarpu kosmose, geosinchroninėje orbitoje skriejantys saulės elementai energiją galėtų gaminti praktiškai 24 valandas per parą. Japoniją itin domina praktiško ir švaraus energijos šaltinio radimas: Fukushima Daiichi elektrinėje įvykusi avarija paskatino nuodugnią ir sistemišką alternatyvų paiešką, tačiau Japonijai trūksta tiek iškastinio kuro, tiek atsinaujinančių energijos šaltinių panaudojimui tinkamos žemės.

Netrukus po to, kai prieš daugiau nei 60 metų buvo išrasti siliciniai fotovoltiniai (FV) elementai, šviesą tiesiogiai verčiantys elektra, supratome, kad tokią konversiją geriausia vykdyti kosmose. Formaliai koncepciją pirmą kartą 1968 m. pasiūlė amerikietis kosmoso inžinierius Peteris Glaseris. Pradiniame dokumente jis pripažįsta tokių palydovų konstravimui, paleidimui ir veikimui kylančius iššūkius, bet teigia, kad FV tobulinimas ir paprastesni skrydžiai į kosmosą turėtų greitai tai padaryti įvykdoma užduotimi. Aštuntajame dešimtmetyje NASA ir JAV Energijos departamentas atliko rimtus kosmose įkurtų elektrinių tyrimus, ir nuo tada buvo pasiūlyti įvairūs Saulės energijos palydovų (solar power satellites – SPS) tipai. Kol kas į orbitą tokie palydovai dėl kaštų ir techninių galimybių nebuvo paleisti. Tačiau pastaraisiais metais atitinkamos technologijos smarkiai pasistūmėjo į priekį. Metas dar kartą pažvelgti į kosminę Saulės energiją.

Komercinis SPS, galintis tiekti 1 GW, būtų milžiniška, sverianti daugiau nei 10 000 tonų ir keleto kilometrų skersmens struktūra. Norėdami pastatyti ir naudoti tokią palydovų sistemą, turime įvaldyti šešias disciplinas:

• bevielio energijos perdavimo,
• kosminio transportavimo,
• didelių struktūrų statymo orbitoje,
• palydovo orientavimo ir orbitos kontrolės,
• energijos gavybos,
• energijos tvarkymo.

Iš šių šešių kebliausias lieka bevielis energijos perdavimas. Todėl būtent į šią užduotį JAXA sutelkė savo tyrimus.

Japonijos kosmoso tyrimų agentūra modeliuoja keletą Saulės energiją renkančių palydovų, kurie skrietų geosinchroninėje orbitoje, 36 000 km aukštyje virš priėmimo stočių. Pagrindinio modelio [viršuje, kairėje] atveju, FV skydelių efektyvumas mažėtų, planetai sukantis nuo Saulės. Pažangesnis modelis [viršuje dešinėje] panaudotų du Saulės šviesą į skydelius atspindinčius veidrodžius. Tokį modelį sukurti būtų sunkiau, bet jis energiją galėtų gaminti be pertraukos.

Abiem atvejais FV skydeliai gamintų nuolatinę srovę, kuri palydove būtų paverčiama į mikrobangas. Daugybė palydovo siųstuvo antenų gautų signalą iš žemės ir kiekvienas siųstuvas galėtų tiksliai nusitaikyti į ten stovinčią priėmimo stotį.

Mikrobangoms pasiekus imtuvą, rektifikuojančios antenos (rektenos) pakeistų mikrobangas atgal į nuolatinę srovę. Imtuve esančiu konverteriu ji būtų pakeičiama į kintamąją srovę, kurią galimą tiekti į elektros tinklą.

Bevielis energijos perdavimas buvo tyrinėjamas nuo Nikola'os Tesla'os eksperimentų XIX a. pabaigoje. Tesla pradėjo statyti 57 m aukščio bokštą Niujorko Long Islande 1901 m., tikėdamasis panaudoti jį energijos perdavimui į, pavyzdžiui, skrendančius lėktuvus, bet jo finansavimas nutrūko, savo svajonės taip ir neįgyvendinus.

Energijos siuntimui atstumais, matuojamais milimetrais ar centimetrais – pavyzdžiui, elektrinio dantų šepetėlio įkrovimui per jo stovą ar elektromobilį per kelią – elektromegnetinė indukcija veikia puikiai. Bet efektyvus energijos perdavimas tolimesniais atstumais gali būti įgyvendintas tik konvertuojant elektros energiją į lazerių ar mikrobangų spindulio energiją.

Pagrindiniai lazerio metodo privalumai ir trūkumai susiję su lazerio spindulio bangų trumpumu – šiam tikslui jos būtų maždaug 1 µm ilgio. Tokio ilgio bangas galima siųsti ir priimti gana nedideliais prietaisais: 1 GW perdavimo optika būtų maždaug 1 metro skersmens, o antžeminė stotis turėtų būti keleto šimtų metrų. Tačiau trumpų bangų lazerį dažnai blokuotų atmosfera; vandens molekulės debesyse sugertų arba išsklaidytų lazerio spindulį, kaip tai daro su Saulės šviesa. Niekam nereikia kosminės elektrinės, kuri veikia tik tada, kai dangus giedras.

Bet mikrobangoms – pavyzdžiui 5 – 10 cm ilgio – tokios perdavimo problemos nekiltų. Mikrobangos taip pat ir efektyvesnės kosminėse Saulės energijos sistemose, kur energiją reikia konvertuoti dukart: pirmiausia, iš nuolatinės srovės į mikrobangas palydome ir iš mikrobangų į srovę ant žemės. Laboratorinėmis sąlygomis tyrėjams abiejuose galuose pavyko pasiekti maždaug 80% energijos konversijos efektyvumą. Elektronikos kompanijos stengiasi tokį efektyvumą pasiekti komerciniuose komponentuose, tokiuose, kaip srovės stiprintuvai, sukurti galio nitrido puslaidininkių pagrindu, kurie galėtų būti naudojami mikrobangų siųstuvuose.

Ieškodami optimalaus palydovo dizaino, JAXA tyrėjai tiria dvi skirtingas koncepcijas. Paprastesnėje didžiulis kvadratinis 2 km kraštinės skydas iš viršaus būtų padengtas PV elementais, o apačioje būtų perdavimo antenos. Šis skydas 10 km ilgio laidais būtų sujungtas su nedideliu mazgu, kuriame būtų palydovo kontrolės ir komunikacijų sistemos. Naudojant gravitacinio gradiento stabilizavimo techniką, mazgas veiktų kaip didžiulio skydo atsvara. Arčiau Žemės esantį skydą jos traukos jėga veiktų stipriau, o išcentrinė – silpniau, tuo tarpu mazgą veiktų priešingi poveikiai. Ši jėgų pusiausvyra stabilizuotų palydovo orbitą, tad jam nereikėtų jokių aktyvių atstumo kontrolės sistemų, ir būtų sutaupoma milijonai dolerių kurui.

Šios SPS konfigūracijos trūkumas – nepastovi energijos gamyba. Kadangi FV skydo orientacija fiksuota, į jį krentančios šviesos kiekis dėl geosinchroninio palydovo ir Žemė sukimosi smarkiai varijuoja.

Tad JAXA sumanė tobulesnę SPS koncepciją, išsprendžiančią kolektorių apšvietimo problemą dviem didžiuliais veidrodžiais. Jie būtų išdėstyti taip, kad į tarp jų skriejantį FV skydą šviesa kristų 24 valandas per parą. Du veidrodžiai skrietų laisvai, nebūtų prijungti prie skydelių ar atskirų perdavimo įrenginių, tad norint įgyvendinti šią sistemą, mums tektų įvaldyti sudėtingą formacijų skriejimo techniką. Kosmoso agentūros šiek tiek skriejimo formacijose patirties turi, daugiausia, iš susijungimo su TKS manevrų, bet skridimas formacijose su kilometrų eilės dydžio struktūromis yra didelis žingsnis nuo dabartinių prisišvartavimo procedūrų.

Taip pat, prieš statydami tokio pažangaus tipo SPS, turėtume atlikti keletą kitų proveržių. Veidrodžių struktūros gamybai reikia labai lengvų medžiagų, kad būtų galima skrieti formacijoje, o taip pat ekstremaliai aukštos įtampos perdavimo kabelių, kuriais būtų galima perduoti energiją nuo FV skydelių į siųstuvą su minimaliais varžos nuostoliais. Tokių technologijų kūrimas truktų ne vienus metus, tad, jei viena ar ar daugiau šalių vykdo ilgalaikį kosminių saulės jėgainių projektą, jos gali vykdyti dviejų fazių programą pradėdamos nuo bazinio modelio, kol mokslininkai vysto technologijas kitos kartos sistemoms.

Mikrobangų gamybai tyrėjai pasiūlė vakuuminius vamzdelius, tokius, kaip magnetronai, klistronai, ar bėgančios bangos vamzdeliai, kadangi jų konversijos efektyvumas yra gana aukštas – paprastai 70 procentų ar didesnis – ir jie santykinai nebrangūs. Puslaidininkiniai stiprintuvai nuolat gerėja, jų efektyvumas auga, o kaina mažėja. Kaina svarbi, kadangi 1 GW komercinėje SPS būtų naudojama mažiausiai 100 milijonų 10 W puslaidininkinių stiprintuvų.

Renkantis perdavimui naudojamą mikrobangų dažnį, reikia įvertinti keletą faktorių. Žemo dažnio mikrobangos gerai prasiskverbia į atmosferą, bet joms reikia labai didelių antenų, kurių statymas ir priežiūra sudėtingesni. 1–10 GHz dažnių ruožas siūlo geriausią antenos dydžio ir slopinimo atmosferoje kompromisą. Jame 2,45 GHz ir 5,8 GHz dažniai yra potencialūs kandidatai, nes jie pakliūna į pramonei, mokslui ir medicinai skirtų dažnių ruožą. Iš jų itin tinkamas atrodo 5,8 GHz dažnis, nes tada perdavimo antenos gali būti mažesnės.

Stipraus spindulio gavimas iš mikrobangų, aišku, svarbus, bet kitas žingsnis daug keblesnis: tikslus spindulio taikymas, kad jis, nukeliavęs 36 000 km, pataikytų tiesiai į rekteną.

Mikrobangų perdavimo sistemą sudarytų gal 5 metrų ilgio antenų skydai, padengti mažomis antenomis – iš viso vienoje SPS būtų daugiau, nei milijardas antenų. Tokio antenų spiečiaus generuojamų mikrobangų koordinavimas nebus lengva užduotis. Norint sukurti vieną tiksliai sufokusuotą spindulį, iš visų antenų skydų siunčiamų bangų fazės turi būti sinchroniškos. Tai padaryti nebus paprasta, nes visi skydai judėtų vienas kito atžvilgiu.

Tikslaus spindulio nukreipimo iš judančio šaltinio užduotis yra unikali ir dabar egzistuojančiomis komunikacijų technologijomis niekada nebuvo atlikta. Spindulys turi būti labai tiksliai sufokusuotas, kad nepaplistų po didesnį plotą. Norint siųsti 5,8 GHz dažnio spindulį į 3 km diametro rekteną, jo išsklidimas turi būti ne didesnis, nei 100 mikroradianų, o spindulio nutaikymo tikslumas – 10 µrad.

JAXA sprendime naudojamas iš antžeminės rektenos siunčiamas pilotinis signalas. Kiekvienas antenų skydas palydove gautų pilotinį signalą, pasiskaičiuotų reikiamą fazę ir atitinkamai prisiderintų. Visų derinimų suma būtų glaudus spindulys, per atmosferą pataikantis į anteną. Tokios fazių derinimo technologijos, vadinamosios retrodirektyvinės sistemos, jau buvo panaudotos nedidelio masto antenų masyvuose kosmose, bet norint koordinuoti keletą kilometrų orbitinių siųstuvų, dar reikia papildomai pasidarbuoti.

Spinduliui pasiekus imtuvą, likęs procesas būtų santykinai lengvas. Rektenų masyvai paverstų mikrobangas nuolatine srove didesniu, nei 80 procentų efektyvumu. Tada nuolatinė srovė būtų konvertuojama į kintamąją ir paduodama į elektros tinklą.

Kai paprasti žmonės išgirsta apie tokias orbitines elektrines, jie dažnai klausia, ar saugu siųsti galingą mikrobangų spindulį į Žemę. Ar jis neiškeptų bet ko, kas pasitaikytų jo kelyje, kaip maisto mikrobangėje krosnelėje? Kai kurie žmonės susidaro bauginantį iš dangaus krentančių keptų žuvėdrų vaizdą. Iš tiesų spindulio intensyvumo nepakaktų pakaitinti kavai. Komercinės SPS sistemos spindulio centre energijos tankis būtų 1 kW/m² – maždaug toks yra ir Saulės šviesos intensyvumas. Tačiau kadangi mikrobangų poveikio žmonėms nustatyta riba paprastai yra 10 W/m², rektenos turėtų stovėti draudžiamoje zonoje, ir į zoną einantys prižiūrėtojai turtų imtis paprastų saugumo priemonių, tokių, kaip apsauginių drabužių apsivilkimas. Bet už rektenų lauko ribų būtų visiškai saugu. Už dviejų kilometrų nuo centro, spindulio galios tankis jau būtų mažesnis už nustatytą ribą.

2008 metais kalno viršūnėje pagrindinėje Havajų saloje rektena gavo mikrobangų spindulį, pasiųstą nuo Maui saloje, beveik už 150 km stūksančio vulkano šlaito. To demonstracinio projekto, vadovaujamo buvusio NASA fiziko Johno Mankinso ir įrašyto „Discovery Channel“ laidai, ambicijos buvo kuklios: FV elementais Maui buvo sugeneruoti tik 20 W ir pasiųsti virš vandenyno. Tas projektas buvo toli gražu ne idealus, nes mikrobangų fazes trikdė horizontalus perdavimas per tankią atmosferą. Didžioji galios dalis buvo prarasta siunčiant ir Didžiojoje saloje buvo gauta mažiau, nei mikrovatas. Bet eksperimentas smalsiai publikai pademonstravo bendrą principą. Be to, verta atsiminti, kad kosmose įrengtoje sistemoje mikrobangos per tankią atmosferą eitų tik paskutinius keletą savo kelionės kilometrų.

Dabar Japonijoje planuojame per kelis ateinančius metus atlikti keletą demonstracijų. Iki šių metų pabaigos mokslininkai tikisi atlikti antžeminį eksperimentą, kuriame kelių šimtų vatų spindulys būtų perduotas maždaug 50 metrų. Šis JAXA ir „Japan Space Systems“ finansuojamas projektas bus pirmoji pasaulyje didelės galios ir tolimo mikrobangų perdavimo, naudojant retrodirektyvinę spindulio kontrolę, demonstracija. Mikrobangų siųstuvą sudaro keturi atskiri skydeliai, galintys judėti vienas kito atžvilgiu, taip simuliuodami antenos judesius orbitoje. Ant kiekvieno 0,6 m × 0,6 m skydelio bus šimtai mažų perduodančių antenų, pilotinio signalo priėmimo antenos, bei fazės valdikliai ir galios tvarkymo sistemos. Kiekvienas skydelis siųs 400 W, tad iš viso spindulyje bus 1,6 kW; šiame ankstyvosios fazės eksperimente tikimės, kad rektenos teikiama galia bus 350 W.

Paskui JAXA tyrėjai tikisi atlikti pirmąjį mikrobangų galios perdavimo eksperimentą kosmose, nusiųsdami keletą kilovatų iš žemos orbitos į žemę. Šis žingsnis, numatomas 2018 m. turėtų išbandyti techninę įrangą: tikimės pademonstruoti mikrobangų spindulio kontrolę, įvertinti bendrą sistemos efektyvumą ir patvirtinti, kad mikrobangų spindulys netrukdo egzistuojančiai komunikacijų infrastruktūrai. Taip pat turime atlikti kai kuriuos mokslinius tyrimus kosmose. Norime būti tikri, kad intensyvaus mikrobangų spindulio neiškreips ar nesugers aukštutinio atmosferos sluoksnio, kuriame yra elektriškai įkrautų dalelių – jonosferos, – plazma. Esame praktiškai tikri, kad spindulys su plazma nesąveikaus, bet mūsų hipotezes patikrinti galima tik kosmose.

Jei pirmosios antžeminės ir kosminės demonstracijos klosis gerai, reikalai išties ims darytis įdomūs. JAXA technologijų plane numatoma 100 kW SPS demonstracijos darbus pradėti apie 2020 m. Šioje stadijoje inžinieriai patikrintų visas pagrindines technologijas, kurių reikia komercinėms kosminių Saulės jėgainių sistemoms.

Kitiems tikėtiniems žingsniams, – 2 megavatų, o paskui ir 200 MW elektrinės pastatymui ir iškėlimui į orbitą, reikėtų tarptautinio konsorciumo, panašaus į finansuojančius milžiniškus dalelių fizikos eksperimentus. Pagal tokį scenarijų, pasaulinė organizacija 1 GW komercinę SPS galėtų pradėti konstruoti ketvirtajame dešimtmetyje.

Tai būtų sunku ir brangu, bet atlygis būtų didžiulis. Per visą žmonijos istoriją kiekvienas naujas energijos šaltinis – pradedant nuo malkų ir einant per anglis, naftą, dujas, branduolinę energiją – sukeldavo mūsų gyvenimo būdo revoliuciją. Jei žmonija išties pasinaudotų kosmose įkurtomis elektrinėmis, palydovų žiedas orbitoje galėtų suteikti praktiškai neišsenkamą energiją, pabaigdamas didžiausius konfliktus dėl Žemės energijos išteklių. Perkeldami kasdienio gyvenimo mechanizmus į kosmosą, imsime kurti klestinčią ir taikią civilizaciją už Žemės paviršiaus ribų.

Apie autorių

Sasaki, Japonijos kosmoso tyrimo agentūros profesorius emeritas, didžiąją dalį iš savo 41 metų karjeros JAXA praleido, tirdamas kosmines saulės energijos sistemas. Geriausiu atveju ši technologija taps, jo žodžiais tariant „paradigmos pasikeitimu“, kai šalys nustos konkuruoti dėl Žemės energijos išteklių, ir vietoje to dirbs drauge, statydamos dideles orbitines elektrines, siunčiančias švarią energiją į Žemę. Jis nusiteikęs optimistiškai.