Kategorie
Kosmologia

Satelitarne elektrownie słoneczne

Satelitarne elektrownie słoneczne

Wielu z tych, którzy widzą w handlu orbitalnym podstawowy czynnik sprawczy dla rozwinięcia cywilizacji zdolnej do lotów kosmicznych, przewiduje, że będziemy wykorzystywać energię wytwarzaną przez wielkie satelitarne elektrownie słoneczne (Solar Power Satellites, czyli SPS). Orbitalne laboratoria badawcze, fabryki i stacje obsługi technicznej przedstawiają dość dobre perspektywy na dochodowy interes w kosmosie, ale w ich wypadku nośność i pojemność rakiet nie grają aż tak wielkiej roli. Gdybyśmy natomiast potrafili wytwarzać na orbicie energię elektryczną dla ziemskich konsumentów, i to po konkurencyjnych cenach, otworzyłby się niemal nieograniczony rynek. Skonstruowano by dużą liczbę potężnych układów SPS, a ich budowa i uruchomienie wymagałoby olbrzymiej floty średnich i ciężkich pojazdów startowych wielokrotnego użytku. Rozpoczęcie takiego przedsięwzięcia spowodowałoby obniżenie kosztów dostępu na orbitę za sprawą budowy wielu rodzajów układów startowych, a to oznaczałoby usunięcie ostatecznej przeszkody na drodze ludzkiej ekspansji w kosmos.

W przestrzeni kosmicznej energia słoneczna dostępna jest dwadzieścia cztery godziny na dobę, nie osłabiona przez wpływ ziemskiej atmosfery. Ponadto większość ziemskich baterii słonecznych ustawiona jest w jednym kierunku, natomiast orbitujące panele mogą nieustannie zwracać się ku Słońcu. Ominięcie atmosfery zwiększa efektywny strumień promieni słonecznych o 50%, a możliwość kierowania panelu w stronę Słońca pomnaża wyprodukowaną energię średnio czterokrotnie. Biorąc pod uwagę obie te zalety, dochodzimy do wniosku, że orbitalna bateria słoneczne jest w stanie wytworzyć sześciokrotnie większą ilość energii na jednostkę powierzchni niż jej ziemski odpowiednik, ustawiony w jednym kierunku na pustyni na równiku. Jednostka SPS wysyła zmagazynowaną energię słoneczną w postaci mikrofal na Ziemię, gdzie przejmuje ją rektena. Na Ziemi energia mikrofal jest konwertowana na prąd zmienny, który wędruje do konsumentów linią wysokiego napięcia. Wysyłanie wiązki energii odbywa się dziś z wydajnością sięgającą 50%, więc połowa energii zostaje utracona, co zmniejsza dwukrotnie przewagę orbitalnej baterii słonecznej nad jej ziemskim odpowiednikiem. Z drugiej strony, rektena jest znacznie tańsza i ma mniejsze rozmiary niż bateria słoneczna, dzięki temu może zostać zamontowana właściwie w każdym miejscu na Ziemi, a więc i tam, gdzie warunki atmosferyczne nie pozwalają na korzystanie z energii słonecznej. Gdy zatem SPS zostanie uruchomiony nad daną półkulą, stosunkowo tania rektena może odbierać energię w każdym miejscu w obrębie tej półkuli. Takie rozwiązanie mogłoby dostarczać ogromnych ilości energii elektrycznej do odległych krajów Trzeciego Świata i pozwoliłoby uniknąć budowy drogich elektrowni w krajach, w których brak stabilności politycznej nie gwarantuje bezpieczeństwa tego rodzaju instalacjom.

Ile jednak kosztowałaby taka energia? Najpierw rozważmy tę kwestię przy dzisiejszych kosztach startów oraz baterii słonecznych. Promienie słoneczne wytwarzają około 1300 watów (W) na metr kwadratowy, a dostępne w chwili obecnej krzemowe panele słoneczne mają masę 4 kilogramów i wydajność 15%. Stosunek energii do masy w tych panelach wynosi jakieś 49 W/kg. Musimy oczywiście pamiętać, że połowa energii zostaje stracona przy przesyłaniu na Ziemię i że masa statku SPS, w którego skład wchodzą wszelkie struktury wspomagające, mechanizmy, układy kontroli wysokości oraz układ transmisji mikrofalowej, będzie prawdopodobnie dwukrotnie większa niż masa samych paneli. A zatem energia netto wygenerowana przez układ SPS wyniesie około 12 W/kg. Ponadto statek SPS nie może zostać umieszczony na niskiej orbicie okołoziemskiej. W przeciwnym razie okrążałby Ziemię co 90 minut i nie mógłby zapewnić stałego transferu energii do rekteny na powierzchni planety. SPS musiałby zostać umieszczony na powoli obracającej się, wysokiej orbicie okołoziemskiej, a najlepiej na wysokiej orbicie geosynchronicznej (GEO, od ang. Geosynchronous Earth Orbit), 35 tysięcy kilometrów nad powierzchnią planety. Na tej wysokości układ SPS okrążałby planetę raz na 24 godziny, a ponieważ Ziemia obraca się z tą samą prędkością, satelita unosiłby się nad tym samym punktem na równiku. (Z tego właśnie powodu orbita GEO, odkryta przez Artura C. Clarka w latach czterdziestych XX wieku, jest dziś najbardziej popularnym miejscem umieszczenia satelitów nie będących częścią wielkich konstelacji). Ponieważ układ SPS znajdzie się na orbicie równikowej na dużej wysokości, będzie mógł przesyłać energię do każdego miejsca na półkuli Ziemi. Jednakże koszt umieszczenia ładunku na GEO jest czterokrotnie wyższy niż na LEO i wynosi około 40 tysięcy dolarów za kilogram. Tak więc sam start SPS podniesie cenę energii do 3300 dolarów za wat lub 3,3 biliona dolarów za 1000 megawatów (MW), co zaspokaja zapotrzebowanie na energię miasta wielkości Denver. A wzięliśmy pod uwagę jedynie koszty startu. Jeśli do tej sumy dodamy koszty budowy, montażu (SPS wytwarzający energię 1000 MW miałby powierzchnię ponad 5 kilometrów kwadratowych i ważyłby 41 milionów kilogramów), utrzymania, ubezpieczenia, osprzętu dla statku kosmicznego, ceny nieruchomości, na których powstaną rekteny i stacje kondycjonowania prądu, wypłaty, podatki i tym podobne, całkowity koszt SPS wyniesie przynajmniej 6 bilionów dolarów. Jest to około 3000 razy więcej niż koszt zbudowania elektrowni atomowej wytwarzającej tę samą ilość energii lub 6000 razy więcej, niż pochłania budowa elektrowni gazowej.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *