Zasilanie Ziemi z kosmosu – jak zmienić stację kosmiczną w elektrownię?  To już nie science fiction

• Większość źródeł energii nie sprawdza się w kosmosie, ale fotowoltaika radzi sobie bardzo dobrze. 
• Przesył energii elektrycznej nie wymaga kabla ani przenośnego akumulatora – rectenny pozwalają na wykorzystanie fal elektromagnetycznych jako nośnika energii. 
• Kosmiczne instalacje fotowoltaiczne mogłyby nieprzerwanie wytwarzać energię, ponieważ zawsze mogłyby utrzymywać się między Ziemią i Słońcem.

Stacja kosmiczna zasilana zieloną energią

Właściwie to trzeba powiedzieć, że wykorzystanie paneli fotowoltaicznych w kosmosie nie jest tak naprawdę niczym nowym. Pamiętajmy o tym, że Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) jest praktycznie całkowicie zasilania przez fotowoltaikę. ISS jest wyposażona w 8 dużych modułów PV, rozmieszczonych w 4 parach. Taka ilość jest w pełni wystarczająca, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię całej aparatury naukowej, systemów podtrzymywania życia oraz urządzeń komunikacyjnych. Warto przy tym dodać, że ISS stale okrąża Ziemię i około połowę czasu orbitowania spędza w jej cieniu. Dokładniej panele zasilają stację przez 45 minut podczas każdego 90-minutowego obiegu planety. Produkują więc więcej energii, niż jest to w danej chwili potrzebne, a nadwyżki są przekazywane do akumulatorów litowo jonowych, które oddają ją w czasie przebywania w cieniu Ziemi. 

Wybór modułów fotowoltaicznych do zasilania stacji kosmicznej nie powinien nikogo dziwić. Część innych opcji nie miałaby prawa działać w próżni z powodu braku wiatru czy płynącej wody. Z drugiej strony postawienie na węgiel, gaz czy biomasę wiązałoby się z koniecznością zapewniania stałych dostaw surowca do stacji, co byłoby bardzo kosztownym rozwiązaniem. Finalnie postawienie na mały reaktor jądrowy również zostało odrzucone ze względu na problemy z wyniesieniem takiego urządzenia na orbitę, względy bezpieczeństwa dotyczące radioaktywnego paliwa jądrowego czy w końcu kwestie polityczne, które wymagałaby zgody bardzo wielu krajów, co byłoby problematyczne. Panele słoneczne z są proste do wyniesienia na orbitę, nie wymagają dostaw paliwa, a także nie wzbudzają kontrowersji wśród partnerów międzynarodowych. W przestrzeni kosmicznej istnieje również możliwość umieszczenia modułów PV na takiej orbicie, aby te niemalże stałe produkowały energię, praktycznie nigdy nie będąc wrażliwymi na jakiekolwiek zacienienie, pamiętając jednak o rzadkim wpływie księżyca. Co prawda w próżni występują pewne problemy z chłodzeniem, ponieważ brakuje tam medium odbierającego ciepło od paneli poprzez konwekcję lub kondukcję, to jednak chłodzenie przez promieniowanie jest wystarczające. 

Bezprzewodowy przesył energii elektrycznej – technologia znana od lat

Energia produkowana przez moduły PV w ISS jest wykorzystywana lokalnie – na samej stacji. Znaczną różnicą jest natomiast koncepcja wykorzystania energii z fotowoltaiki na Ziemi. Wytworzenie nie jest problemem, natomiast przesył to już inna sprawa. W normalnych warunkach oczywiście najprostszą opcją przesyłu energii jest wykorzystanie kabla. Problem w tym, że niemożliwym jest przeciągnięcie kabla z Ziemi na orbitę, ponieważ jego masa uniemożliwiłaby orbitowanie instalacji. Z drugiej strony można by także odbierać energię z instalacji przy pomocy przenośnych baterii. Problemem jest jednak oczywiście to, że wykorzystywanie rakiet do tego celu odebrałoby instalacji cały sens. Spalanie paliwa rakietowego wytwarzały spore ilości zanieczyszczeń oraz mogłoby zużywać większe ilości energii od produkcji z instalacji. Rzecz jasna już samo wynoszenie elementów instalacji wiązałoby się ze spaleniem ogromnych ilości paliwa, ale ilość ta i tak byłaby znacznie mniejsza od tej wykorzystanej na cykliczne loty po energię. 

Istnieje jednak jeszcze jeden sposób przesyłu energii, który jest znacznie mniej znany i popularny, ponieważ na Ziemi nie ma potrzeby jego stosowania, ale który idealnie sprawdziłby się do przesyłu energii z kosmosu. Chodzi tu o bezprzewodowy przesył energii przy pomocy fal elektromagnetycznych, które zastępują nam kabel. Fale te są w stanie przenosić energię, którą można następnie wychwycić przy pomocy specjalnych urządzeń – rectenn. 

Rectenny to specjalny rodzaj anten, które odbierają fale elektromagnetyczne i od razu przekształcają je w prąd stały. Urządzenia te to właściwie połączenie anteny i prostownika. Wbrew pozorom nie są one jednak technologią nową, ponieważ potencjał zauważono już w latach 60. XX wieku. W tamtym okresie William C. Brown, amerykański inżynier, tworzył pierwsze systemy bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej, z których najbardziej rozpoznawalnym dziełem był model zdalnie zasilanego helikoptera. Średnich rozmiarów urządzenie składało się z rectenny, silnika elektrycznego i śmigła, które były zasilane przy pomocy mikrofal nadawanych z naziemnego nadajnika. 

Czysta energia z kosmosu

W przypadku Space Solar Power (SSP), czyli systemów przesyłania energii z satelitów słonecznych na Ziemię, model działania byłby odwrotny do tego, co zaprezentował William C. Brown. Nadajniki z kosmosu przesyłały by energię do naziemnych odbiorników. potencjalnie instalacje fotowoltaiczne zlokalizowane na orbicie mogłyby być znacznie większe od naziemnych rectenn, co zapewniłoby oszczędność przestrzeni. Jednocześnie możliwym byłoby dostarczanie energii do kilku miejsc jednocześnie z jednej instalacji, o ile ta posiadałaby kilka nadajników, a naziemny system rectenn mógłby ustawiać się pod kątem i śledzić sygnał satelity.

Kosmiczna instalacja fotowoltaiczna wysyłająca energię elektryczną na Ziemię. 

Źródło: chip,pl

Naziemne rectenny przechwytujące fale elektromagnetyczne z kosmosu

Źródło: Europejska Agencja Kosmiczna

Systemy tego typu, w zależności od zapotrzebowania, byłyby w stanie stale utrzymywać się nad danym miejscem lub utrzymywać się w stałym punkcie między Słońcem i Ziemią, co zapewniłoby im stały dostęp do światła słonecznego. W takiej sytuacji urządzenie podobnie do ISS mogłyby magazynować wytwarzaną energię w czasie, w którym nie mogłoby połączyć się z instalacją naziemną. Alternatywnie instalacja mogłaby okresowo łączyć się z kilkoma różnymi odbiornikami w ciągu doby. Możliwości jest wiele, choć obecnie systemy rectenn nie są rozwijane, ponieważ przede wszystkim nadają się do zadań, które stanowią dopiero koncepcje z wieloma potencjalnymi wyzwaniami i przeszkodami do pokonania.  Posiadamy techniczne możliwości, jednak póki co nie ma chętnych, aby przekuć możliwości w czyn. 

Źródła: chip.pl/ResearchGate.pl/esa.int