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.) Kapcsolódó cikkek: Kapcsolódó linkek:
Ultravékony napelemcellák
Úszó napelemek
Űrnapelempark
Naperőművek Kínában
Naperőmű a Mojave-sivatagban
Napelemfarm a Góbi-sivatagban
A napsugárzás mérése „felülről”
Evaluating America’s green energy options including astroelectricity (part 4)
Mike Snead cikkének 1. része (The Space Review)
Mike Snead cikkének 2. része
Mike Snead cikkének 3. része
Mike Snead: Astroelectricity c. könyvének szabadon letölthető e-könyv változata
A világűrben elektromos energiát termelő napelemeket kevésbé károsítja a sugárzás, ha vékonyabbak a cellák.
