Asztroelektromosság
(Rovat: Új eszközök és anyagok - 2022.12.22 07:15.)

Azaz elektromos energia a csillagokból, közelebbről a Napból. Az űrben bevált, akárcsak a Földön, de vajon megoldást jelenthet-e űr–Föld viszonylatban is?

A Space Review portálon négyrészes cikksorozat jelent meg, amely többek közt a világűrbe telepített, a napenergiát nagyüzemi méretekben elektromossággá alakító, és az energiát a Földre továbbító rendszerek lehetőségét vizsgálja. A cikksorozat szerzője James Michael (Mike) Snead amerikai repülő- és űrmérnök, aki korábban az AIAA űrlogisztikai technikai bizottságának elnöke volt, emellett a Spacefaring Institute LLC alapítója, az 1980-as évek óta rendszeresen publikál űrrepülési, űrlogisztikai és energetikai témákban, cikkei blogján érhetők el. Tekintettel portálunk profiljára és a terjedelmi korlátokra, a cikksorozatból rövid ismertetésünkben csak az űrbeli vonatkozásokat emeljük ki. A téma iránt mélyebben érdeklődőknek a Space Review portálon elérhető teljes cikksorozatot, a hozzászólásokban kibontakozó szakmai vitát, illetve a szerző szabadon letölthető Astroelectricity című könyvét ajánljuk figyelmébe. A cikk a kérdéskört csak az Egyesült Államok vonatkozásában tárgyalja, és mint a szerző felhívja a figyelmet, a benne szereplő adatok csak a tájékoztatás célját szolgálják.

A világűrben napelemekkel termelt elektromos energiának a század végére jelentős szerepe lehet a megújuló forrásokra történő átállásban. (Kép: ESA / Andreas Treuer)

A négyrészes cikk célja, hogy kvantitatív módon megvizsgálja, milyen lehetőségek állnak rendelkezésre az USA számára, hogy az évszázad végére teljes egészében megújuló forrásokból állítsa elő energiaszükségletét. Leszögezi, hogy a „zöldenergiára” történő teljes és rendezett átálláshoz elengedhetetlen a fosszilis tüzelőanyagok erőteljes használata. Kiinduló adatai szerint az USA-ban az egy főre jutó elektromosenergia-felhasználás 13–22 kW, összességében 4–7 TW (terawatt). Figyelembe vette, hogy az USA lakossága a század végéig 50%-kal nőhet, vagyis elérheti a kb. 500 millió főt. A sorozat első három cikkében arra a következtetésre jut, hogy a szélenergia és a földre telepített napelemek használata nem alkalmas alternatíva az USA számára, de elveti a hasadásos atomreaktorok használatát is, így a véleménye szerint egyetlen reális alternatívaként a cikksorozat negyedik részében az asztroelektromosságot, vagyis a világűrben napelemekkel termelt energiát, és annak Földre juttatását tárgyalja.

A szerző az asztroelektromosságot látja az egyetlen reális lehetőségnek az Egyesült Államok teljes energiatermelésének „kizöldítésére”. (Kép: USA Kormánya)

A Föld körül keringő mesterséges égitestek döntő többsége az 1960-as évek óta napenergiát használ. Peter Glaser cseh származású amerikai mérnök már 1968-ban számításokat végzett arra vonatkozóan, hogy a geostacionárius távközlési műholdak rádióadás formájában a Földre energiát továbbító rendszerét nagyságrendekkel felnagyítva hasznosítható mennyiségű energia lenne továbbítható a Földre. Az elvre Glaser 1973-ban szabadalmat kapott. Az 1970-es évek elejének olajválsága nyomán az USA Energiaügyi Minisztériuma és a NASA Glaser szabadalma alapján kísérleteket folytattak 5 GW energia Földre továbbítására, és azt technológiai szempontból megvalósíthatónak találták.

Az 1990-es években a NASA koncepciós tanulmányt készített az asztroelektromosság használatára. Számításaik szerint hatalmas tükrökkel mintegy 26 GW teljesítményű napsugárzást kellene összegyűjteni ahhoz, hogy végül 5 GW folyamatosan teljesítmény érkezzék a Földre. Ehhez (leérkező) GW-onként 3,8 km² felületű tükrökkel kell a napfényt a napelemekre irányítani, majd az energiát 1 km² felületű adóberendezéssel lehet a Földre sugározni. [A napállandó kb. 1,3 kW/m² = 1,3 GW/km², így a 3,8 km² felület 5 GW napenergiát vetít a napelemekre. A szerző a napenergia elektromos energiává alakításának hatásfokát mintegy 20%-nak tételezi fel (5 GW / 26 GW), így a tükörrendszerek teljes felületére mintegy 20 km² adódik. Az a Földre jutó 5 GW teljesítmény mintegy három nagyságrenddel marad el az említett teljes energiaigénytől. – B.E.] A berendezés űrszegmensét geostacionárius pályára telepítve az év 99%-ában folyamatos energiaellátást lehet biztosítani, csak a tavaszi és őszi napéjegyenlőség idején kerülnének a tükrök rövid időre a Föld árnyékába.

A NASA 1990-es években készített koncepciós tanulmánya az asztroelektromosság használatára. (Az eredeti kép forrása: USA Kormánya; módosított kép: J. M. Snead)

A földi vevőegység távolról hatalmas napelemfarmra hasonlít, méretei az ábrán láthatók. Ebben az esetben azonban a vevőterületen nem napelemek, hanem mintegy 6 cm hosszú diplóantennák sokasága helyezkedik el. Az ábrán feltüntetett adatok 2,45 GHz energiatovábbítási frekvenciára vonatkoznak. Ez a frekvencia az USA-ban az általános ipari célokra fenntartott frekvenciák tartományába esik, ahol a légkörön történő áthaladás során minimális az energiaveszteség. (Ebben a frekvenciatartományban dolgoznak például egyes Wi-Fi hálózatok, de a mikrohullámú sütők is.) Ilyen paraméterek mellett a vevőterület közepére 230 W/m² teljesítmény érkezik, a terület széle felé a teljesítmény csökken. A maximális teljesítménysűrűség nagyságát úgy választották meg, hogy a sugárzás ne jelentsen veszélyt a nyalábon átrepülő madarakra. (Összehasonlításképpen, a Nap sugárzásával kb. 1000 W/m² energia jut a földfelszínre, természetesen egészen más frekvenciatartományban, míg a mikrohullámú sütők belsejében a teljesítménysűrűség mintegy 9000 W/m².) A vevőterület körüli biztonsági zónában a teljesítménysűrűség már olyan csekély, hogy ott az USA előírásai szerint emberi munkavégzés, például mezőgazdasági művelés már megengedett.

Az 1 km²-es adóberendezés által a Földre sugárzott 5 GW teljesítményt fogadó terület a biztonsági zónával együtt közepes földrajzi szélességen mintegy 209 km² területet foglal el. Az egyenlítőn a fogadó terület kör alakú, ezért kisebb, az Egyenlítőtől távolodva észak–déli irányban egyre elnyúltabb, így nagyobb területen helyezkednek el a vevők. (Kép: J. M. Snead)

Cikke további részében a szerző részletes becsléseket mutat be az USA 2100-ban várható energiaigényére vonatkozóan. Ezek alapján arra a következtetésre jut, hogy az energiaszükséglet biztosításához közel 1400 darab, a fenti paraméterekkel rendelkező „asztroelektromos erőművet” kellene létesíteni. Ily módon a vevőegységek teljes területe közel 300 000 km², ami az USA területének csak 4%-a lenne – és így az USA igényeinek 80%-a biztosítható. A cikkben a maradék 20% energia földi előállítására is bemutat adatokat. Ezt az asztroelektromos energiát fogadó egységek területén, a vevőkkel „társbérletben” elhelyezett, földi telepítésű napelemekkel tartja lehetségesnek. (Arról nem ejt szót a szerző, hogy a rendszer űrszegmensének geostacionárius pályára telepítése milyen zsúfoltságot idézne elő a GEO pályán. – B.E.)