Prąd z kosmosu w domowym gniazdku

Zaczęło się wiosną zeszłego roku od tajemniczego porozumienia podpisanego pomiędzy dwiema firmami. Pierwsza z nich nazywa się Solaren i jest malutka - w tej chwili zatrudnia 10 osób. Druga to olbrzym - Pacific Gas & Electric Company, jeden z największych dostawców prądu do amerykańskich domów. Mrówka złożyła słoniowi obietnicę, że od 2016 roku będzie zapewniać jego klientom 200 MW mocy. Energia będzie chwytana przez satelity i przesyłana na Ziemię za pośrednictwem mikrofal.

Stacja odbiorcza, jak wstępnie ustalono-, ma zostać zbudowana na półpustynnych terenach w pobliżu miasta Fresno w środkowej Kalifornii. Tam też będzie się odbywać konwersja mikrofal na prąd, który popłynie następnie do kilkuset tysięcy domów w okolicy. Inwestycję oszacowano wstępnie na 2 mld dolarów - całość ma zdobyć Solaren.

Wzruszenie ramion, czasami śmiech, często niedowierzanie. Tak przyjęto te kosmiczne plany, podejrzewając, że chodzi głównie o marketing i reklamę. Prawdą jest, że do dziś Solaren nie objaśnił szczegółowo, jak zamierza wypełnić swoje obietnice. Szefowie firmy ujawnili jedynie, że elektrownię zamierzają umieścić nad równikiem na orbicie geostacjonarnej odległej o ok. 36 tys. km od Ziemi. Twierdzą też, że wystarczy im 4-5 lotów w kosmos, aby zrealizować całe przedsięwzięcie, co brzmi więcej niż sensacyjnie, bo nieprawdopodobnie. Do tej pory bowiem takie pomysły uchodziły za wysoce nieopłacalne także z tego powodu, że - jak zakładano - wymagają setek kosztownych lotów.

Pięć lat temu Solaren złożył jednak wniosek patentowy, z którego wynika, że zamierza zainstalować na orbicie olbrzymie lustra - pomysł często rozważany przez entuzjastów orbitalnych elektrowni. Lustra te koncentrowałyby energię słoneczną przed jej zamianą w mikrofale. Firma chce też wyeliminować połączenia między poszczególnymi modułami - mają orbitować obok siebie parami lub czwórkami. Wszystko po to, aby ograniczyć masę satelitów i wydatki na ich transport. Każdy kilogram więcej to kolejne 15 tys. dolarów.

Pytani o szczegóły swoich badań, naukowcy i inżynierowie z Solarena nabierają wody w usta. Mają wprawę w zachowywaniu tajemnicy - większość z nich przez ostatnie 20-30 lat pracowała dla armii lub przemysłu kosmicznego. Ale poufne badania idą chyba pełną parą, skoro w grudniu 2009 roku porozumienie zostało zaakceptowane przez władze stanowe - zgodziły się one na wpuszczenie do sieci energetycznej prądu z orbity, jeśli takowy zostanie w końcu dostarczony. Wierzą więc w to nie tylko szefowie Solarena.

We wrześniu zeszłego roku swoje plany ujawnili też Japończycy. Ogłosili, że właśnie stworzyli konsorcjum kilkunastu firm, które będą pracowały nad projektem zbudowania na orbicie elektrowni słonecznej o docelowej mocy 1 GW. Wedle wstępnej koncepcji ogniwa fotowoltaiczne będą miały powierzchnię około 4 km kwadratowych. Całość ma być gotowa dopiero za ćwierć wieku.

Najbliższe cztery lata będą poświęcone naziemnym badaniom nad przesyłaniem energii za pomocą laserów i mikrofal. Po wybraniu jednej z metod zostanie ona przetestowana w przestrzeni kosmicznej. Próbna instalacja o mocy 100 kW powinna zawisnąć na orbicie geostacjonarnej około 2015 roku. Pięć lat później moc elektrowni zostanie zwiększona do 250 MW.

Tak z grubsza wygląda harmonogram opracowany przez japońską agencję kosmiczną JAXA, a w sierpniu zeszłego roku zaaprobowany przez japońskie ministerstwo gospodarki, handlu i przemysłu (METI). Koszt całego przedsięwzięcia oszacowano na 2 bln jenów (ok. 22 mld dolarów), jest on zatem gigantyczny. Ale spokojnie. Na początek badacze dostaną tylko 2 mln dolarów na wybranie rozwiązań technicznych, dzięki którym ta horrendalnie droga dziś inwestycja może nabrać ekonomicznego sensu.

W Japonii od dawna eksperymentuje się z bezprzewodowym przesyłaniem energii elektrycznej (np. między rakietami - dwa takie testy przeprowadzono w latach 80. i 90.). Mniej więcej od 10 lat finansowane są prace koncepcyjne nad orbitalnymi elektrowniami. Przed kilkunastoma laty prawie nikt nie wierzył, że te wizje kiedykolwiek się ziszczą. Jednak postęp techniczny, choćby w badaniach nad ogniwami słonecznymi, które są coraz lżejsze i sprawniejsze, jest ostatnio tak szybki, że to, co niedawno wydawało się fantazją, zaczyna nabierać realnych kształtów.

W kosmiczne elektrownie zaczyna się też wierzyć w Europie. W ślad za Amerykanami i Japończykami swoje dalekosiężne plany ujawnił ostatnio największy europejski koncern kosmiczny EADS Astrium. W styczniu 2010 roku ogłosił, że w ciągu pięciu lat chce umieścić na orbicie niewielką elektrownię demonstracyjną o mocy 10-20 kW. To dopiero pierwszy krok - zapowiedzieli szefowie firmy. Na końcu drogi jest śmiała wizja setek prądotwórczych satelitów dostarczających energię na żądanie do dowolnego kawałka planety.

W europejskiej wizji przewiduje się wykorzystanie laserów działających w zakresie podczerwieni. Taki laser mógłby dostarczać energii np. statkowi przemierzającemu ocean albo regionowi odciętemu od świata przez kataklizm. Naukowcy prowadzą już odpowiednie eksperymenty. Potrafią za pomocą lasera wprawiać w ruch samochody-zabawki. Wiązka laserowa - jak podkreślają badacze pracujący dla koncernu - byłaby bezpieczna.

Dziś główne wyzwanie to zbudowanie urządzeń sprawnie przetwarzających energię elektryczną na podczerwień i odwrotnie. Nad tym zagadnieniem pracuje od kilku lat na zlecenie EADS Astrium grupa naukowców z University of Surrey w Wielkiej Brytanii. Prowadzone tam testy laboratoryjne osiągną niedługo taki etap zaawansowania, że wkrótce trzeba je będzie przenieść w przestrzeń kosmiczną. Do tego celu miałaby zostać wykorzystana Międzynarodowa Stacja Kosmiczna.

Lasery mają jednak swoje wady. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez parę wodną, nie może ono zatem przeniknąć przez grubą warstwę chmur. W wielu regionach planety, nad którymi chmury wiszą przez znaczną część roku, miałyby ograniczone zastosowanie. Dlatego właśnie w USA jako medium są preferowane mikrofale, choć przesyłanie energii za ich pomocą wydaje się trudniejsze technologicznie, a uchodzi też za mniej bezpieczne. Co prawda raport dla Pentagonu z 2007 roku stwierdza, że żadnego zagrożenia nie ma i nikt nie zostanie upieczony.

Wszystko bowiem zależy od natężenia promieniowania. W projekcie Solarenu promieniowanie będzie spływało z góry w postaci rozproszonej wiązki o średnicy 2-3 km odbieranej przez sieć anten zainstalowanych na pewnej wysokości. Ani ludziom, ani ptakom, ani samolotom to nie zaszkodzi, choć wewnątrz tego strumienia wzrost temperatury będzie dość wyraźny. Jakbyśmy wystawili twarz na słońce w letni słoneczny dzień. No i jeszcze coś. Zamilkną telefony komórkowe i inne urządzenia podłączone do systemów komunikacji bezprzewodowej.

Po co w ogóle jeść tę żabę? Nie lepiej poprzestać na budowie elektrowni słonecznych na Ziemi, zamiast ładować się w tak kosztowne i ryzykowne inwestycje? Entuzjaści orbitalnych fabryk prądu zwracają uwagę, że w bliskim kosmosie jest wielokrotnie (5-10 razy) więcej dostępnej energii słonecznej niż na powierzchni planety. Nie ma też nagłych zmian pogody, chmur i nocy. To oznacza, że orbitalna fabryka może dostarczać prąd 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu.

Wydajność elektrowni można zwiększyć, umieszczając ją na orbicie geostacjonarnej, gdzie rzadko dosięgnie ją cień rzucany przez planetę. Wielką zaletą jest to, że stacje odbiorcze można postawić w sąsiedztwie miast i rejonów, gdzie popyt na energię elektryczną jest duży. Tym samym odpadają wysokie koszty związane z przesyłaniem energii na duże odległości tradycyjną siecią energetyczną.

Pomysł kosmicznych elektrowni nie jest wcale taki nowy. W listopadzie 1968 roku na łamach tygodnia "Science" ukazał się artykuł zatytułowany "Power from the Sun: It's Future". Jego autor - Peter Glaser, inżynier pracujący przy programie Apollo - dowodził, że przyszłe losy ludzkości będą zależały od tego, czy zdoła ona opanować energię słoneczną, jako że tradycyjne surowce paliwowe wcześniej lub później się skończą. Czy to zdarzy się za 100, czy za 200 lat, nie ma aż tak dużego znaczenia - przekonywał. Następnie Glaser przedstawił w swoim artykule koncepcję wielkiego systemu satelitarnego złożonego z baterii słonecznych o powierzchni wielu kilometrów kwadratowych każdy, rozmieszczonych na satelitach geostacjonarnych.

Wyprodukowana w kosmosie energia elektryczna byłaby przysyłana za pośrednictwem ogromnych anten emitujących promieniowanie mikrofalowe. Ten ostatni pomysł opatentował zresztą pięć lat później. Dodajmy, że ćwierć wieku przed Glaserem pisał o czymś takim Isaac Asimov w opowiadaniu "Reason".

W latach 70. NASA wspólnie z Departamentem Energii USA przeprowadziła kilka testów, które pokazały, że mikrofale rzeczywiście mogłyby pośredniczyć w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Podobne eksperymenty prowadzili też Japończycy. Jednak aż do początków XXI wieku badania nad pozyskiwaniem energii słonecznej na orbicie i jej transferem na Ziemię uznawano raczej za niegroźną zabawę.

W ciągu trzech dziesięcioleci Amerykanie wydali na ten cel około 80 mln dolarów. Na przykład w 1994 roku przeprowadzono test Advanced Photovoltaic Experiment, w ramach którego na niską orbitę posłano satelitę z ogniwami fotowoltaicznymi, aby zobaczyć, jak będą się zużywały w warunkach kosmicznych. W 1997 roku administracja Clintona zamówiła w NASA raport, którego konkluzja brzmiała: "Koncepcja kosmicznych elektrowni słonecznych warta jest ponownej dyskusji". I taka dyskusja faktycznie się zaczęła, tyle że bez NASA, bo ta kilka lat później w ogóle przestała zajmować się tym tematem.

Dla odmiany "kosmicznym prądem" zainteresował się Pentagon. Wspomniany już raport z 2007 roku stwierdzał, że idea jest już technicznie wykonalna, a błyskawiczny postęp w kilku kluczowych dziedzinach uczyni z niej opłacalne przedsięwzięcie w ciągu kilku dziesięcioleci. Zaproponowano też, jak mógłby wyglądać taki system przykrojony dla potrzeb wojska:

- niewielkie elektrownie o mocy 5-50 MW z ogniwami fotowoltaicznymi tworzyłyby sieć wokół Ziemi,

- każdy satelita byłby otoczony wianuszkiem luster koncentrujących energię słoneczną,

- ogniwa wytwarzałyby prąd zamieniany na mikrofale o częstotliwości 2,45 lub 5,8 GHz, które najlepiej przenikają przez ziemską atmosferę (inna sprawa, że pasma te już są poważnie obciążone),

- mikrofale wędrowałyby ku Ziemi jako rozproszona i niegroźna dla otoczenia wiązka promieniowania rozproszonego.

Autorzy publikacji podkreślali, że rząd powinien stymulować rozwój orbitalnej energetyki, ale nie zastępować firm prywatnych. Przede wszystkim nawoływano do sfinansowania przez rządowe agencje badań, co do dziś się nie udało.

Tymczasem entuzjaści robili swoje. Dwa lata temu John Mankins, były szef Biura Zaawansowanych Projektów NASA (odszedł z agencji po tym, jak straciła ona zainteresowanie "prądem z orbity"), przeprowadził na Hawajach ciekawy eksperyment sfinansowany i sfilmowany przez Discovery Channel. Za pośrednictwem mikrofal przesłał na odległość 148 km, z jednej wyspy archipelagu na drugą, energię słoneczną schwytaną przez panele fotowoltaiczne. Moc przesłanej energii nie była duża - zaledwie 20 W.

Pokaz przeprowadzono, aby dowieść, że takie rzeczy są możliwe. Miał to być również argument za przeprowadzeniem podobnego testu z wykorzystaniem Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Propozycja takiego eksperymentu, wraz z jego dokładnym opisem, została wcześniej zgłoszona do NASA przez grupę badaczy związanych z uczelniami i firmami prywatnymi. Pomysł polegał na umieszczeniu na japońskim module Kibo, znajdującym się na zewnątrz stacji, zestawu wzmacniającego sygnał elektromagnetyczny.

Taki wzmacniacz, którego głównym elementem są tzw. lampy o fali bieżącej, został zaprojektowany przez inżynierów z Air Force Research Laboratory w Ohio. Jego zadaniem byłoby pobranie energii z ogniw słonecznych pojazdu orbitalnego i przesłanie jej na Ziemię w formie fali mikrofalowej o częstotliwości 20,2 GHz. Wiązkę odebrałaby 34-metrowa antena Goldstone stojąca na pustyni Mojave w Kalifornii - jedna z trzech tworzących system Deep Space Network służący do utrzymania łączności z pojazdami międzyplanetarnymi oraz nasłuchiwania kosmosu (dwie pozostałe znajdują się pod Madrytem w Hiszpanii i w pobliżu Canberry w Australii).

Wielokrotnie ponawiając takie próby, można by już teraz, nie czekając na zbudowanie i wysłanie specjalnych satelitów, wstępnie zbadać, jak przebiega transmisja mikrofal z orbity na Ziemię, a przede wszystkim ustalić, jaka część przekazywanej tą drogą energii może być tracona w atmosferze. Eksperyment nie należy do najtańszych. Jego koszt oszacowano na 55 mln dolarów. W grudniu 2008 roku NASA odmówiła badaczom. Mankins i pozostali inicjatorzy eksperymentu mają nadzieję, że do pomysłu da się przekonać nowy dyrektor agencji Charles Bolden, nominowany w zeszłym roku. Po ostatnich deklaracjach Japończyków i Europejczyków może będzie to łatwiejsze. Ci drudzy, przypomnijmy, też chcą skorzystać ze stacji orbitalnej.

Tymczasem postęp w badaniach koncepcyjnych nabiera tempa. Parę miesięcy temu niewielka firma PowerSat, składająca się z naukowców zapaleńców, złożyła dwa wnioski patentowe. Pierwszy dotyczy opracowanej przez nich technologii BrightStar, dzięki której wiele mniejszych satelitów, poruszających się niezależnie od siebie, będzie mogło wspólnie przesyłać energię na Ziemię. W tej koncepcji wielkie, ciężkie i piekielnie drogie w budowie oraz utrzymaniu megaelektrownie orbitalne o mocy wielu gigawatów zostają zastąpione przez sieć złożoną z setek, a nawet tysięcy małych generatorów prądu o mocy kilkaset razy mniejszej. Awaria jednego czy nawet kilku elementów takiej sieci nie będzie od razu oznaczała "czasowych przerw w dostawie prądu".

Drugi patent dotyczy sposobu wynoszenia słonecznych elektrowni na orbity geostacjonarne. Technologia nazwana SPOT (ang. Solar Power Orbital Transfer) zakłada, że pojazdy zostaną wystrzelone tylko na niskie orbity, gdzie rozwiną swoje panele słoneczne i czerpiąc z nich energię, polecą dalej na silnikach jonowych. Takie rozwiązanie zmniejsza o jedną trzecią masę startową rakiety, i mniej więcej o tyle samo koszt przedsięwzięcia. PowerSat powstała w 2001 roku, czyli w odległych, jak na tę branżę, czasach. Założył ją William Maness - jeden z wizjonerów orbitalnej energetyki. "Jest w niej tyle science fiction, co w telewizji satelitarnej, która zresztą także korzysta z mikrofa"l - mówił w jednym z wywiadów. Maness planuje zbudowanie najpierw naziemnego demonstratora o mocy 1 MW, a około roku 2018 wystrzelenie pierwszego satelity BrightStar.

Zbliżony harmonogram testów ma też kolejna pionierska firma Space Energy. Licząc z Japończykami i Europejczykami, to już piąty chętny do wystrzelenia energetycznej sondy w drugiej połowie najbliższej dekady. Jeśli do tego dojdzie, mniej więcej pół wieku po opublikowaniu przez Glasera artykułu w "Science" jego koncepcja zostanie poddana prawdziwej próbie ogniowej. Kto wie, może po następnych 50 latach doczeka się realizacji. Swoją drogą ciekawe, co wtedy wygra - lasery czy mikrofale?

Andrzej Hołdys, dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik "Wiedzy i Życia"