Pomyśl o tym, co wiesz o czystych źródłach energii. Co jest najbardziej zielone?
Prawdopodobnie przychodzą na myśl elektrownie wodne, geotermalne, wiatrowe i słoneczne. Choć mogą być przyjazne dla środowiska, wszystkie mają znaczne ograniczenia dotyczące ilości energii, którą mogą wytworzyć i gdzie można je wykorzystać. To znaczy, pomimo kilku naprawdę fajnych postępów w dziedzinie energii słonecznej, panele słoneczne nadal mogą generować energię tylko wtedy, gdy świeci słońce.
Rozwiązanie jest zatem oczywiste. Idź tam, gdzie słońce nigdy nie zachodzi: w kosmosie.
Taka jest wizja naukowców, badaczy i przedsiębiorców zarówno tutaj w Stanach Zjednoczonych, jak i w Japonii, Chinach i Europie. Choć koncepcja ta została opracowana przynajmniej od lat 70. XX wieku, była wielokrotnie zmieniana i porzucana, ponieważ umieszczenie tam wszystkich części i ludzi, którzy ją złożyli, było niemożliwie drogie. Dopiero wraz z pojawieniem się super małych, masowo produkowanych satelitów i rakiet wspomagających wielokrotnego użytku, niektórzy zaczynają przyglądać się znacznie trudniej, by kosmiczne słońce stało się rzeczywistością.
Istnieją dziesiątki pomysłów na to, jak zbudować kosmiczny system gromadzenia energii słonecznej, ale podstawowa zasada wygląda mniej więcej tak: uruchomienie i automatyczne złożenie kilkuset lub tysięcy identycznych rozmiarów modułów na orbicie geosynchronicznej. Jedna część składa się z luster odbijających i koncentrujących światło słoneczne na panelach słonecznych, które przekształcają energię w elektryczność. Konwertery zamieniają tę energię elektryczną w kuchenki mikrofalowe o niskiej intensywności, które są przesyłane do dużych okrągłych odbiorników na ziemi. Anteny te ponownie przetwarzają mikrofale z powrotem na energię elektryczną, którą można wprowadzić do istniejącej sieci.
John Mankins, który spędził 25 lat w NASA i Caltech's Jet Propulsion Laboratory, otrzymał dofinansowanie z Instytutu Zaawansowanych Koncepcji NASA w 2011 roku, aby bardziej szczegółowo dopracować swoją koncepcję kosmicznej elektrowni słonecznej. Nalega, że technologia i inżynieria wymagana do tego, by kosmiczna energia słoneczna stała się rzeczywistością, sprowadza się jednak do zielonej i gumulacji.
„To nie jest jak fuzja - nie ma w tym żadnej nowej fizyki”, mówi Mankins, powołując się na ITER, 35-narodową współpracę przy budowie reaktora termojądrowego we Francji. „Nie ma tajnego sosu. Finansową przeszkodą jest zdobycie funduszy na opracowanie elementów i zademonstrowanie nowej architektury wymaganej do tego celu. ”
Mankins i inni szacują, że całkowity koszt opracowania, budowy, uruchomienia i montażu wszystkich komponentów kosmicznej elektrowni słonecznej wynosi od 4 do 5 miliardów dolarów - ułamek ceny 28 miliardów dolarów na zaporze Three Gorges Dam w Chinach. Mankins szacuje, że działający model z pełnowymiarowymi komponentami można byłoby kupić za 100 milionów dolarów. Dla porównania, niedawno ukończona elektrownia atomowa Watts Bar w Tennessee zabrała 43 lata, od początku do jąkania, i kosztowała 4, 7 miliarda dolarów.
Krytycznie to, co zapłaciliby konsumenci - cena za kilowatogodzinę - musi być na tym samym poziomie, co konwencjonalne źródła energii wytwarzane z węgla, gazu ziemnego i energii jądrowej, których cena waha się od 3 do 12 centów za kilowatogodzinę. Hydroelektryczność może być zadziwiająco tania, za mniej niż jeden cent za kilowatogodzinę - ale tylko jeśli masz szczęście mieszkać w regionie z licznymi rzekami o dużych przepływach, na przykład w części Kanady i Wisconsin. Geotermia jest również bardzo ekonomiczna, rejestruje się za 3 centy za kilowatogodzinę, ale musisz zapytać Islandczyków, jak im się podobają rachunki za prąd. Zwolennicy wiatru ogłosili w zeszłym roku wiadomość, że koszty tego odnawialnego zasobu spadły do 2, 5 centów za kilowatogodzinę.
Jak mówi Gary Spirnak, dyrektor generalny firmy energetycznej Solaren z Kalifornii, wprowadzenie kosztu w postaci niskich podwójnych cyfr, a nawet pojedynczych cyfr centów za kilowatogodzinę jest absolutnie niezbędne, aby kosmiczna energia słoneczna stała się konkurencyjnym narzędziem.
Firma Spirnak została zatwierdzona jako dostawca energii słonecznej w Kalifornii i miała wcześniej uzgodnienia w sprawie dostaw z Pacific Gas and Electric, ale jej model biznesowy opiera się całkowicie na wytwarzaniu energii z energii słonecznej z kosmosu. Solaren jest w trakcie negocjacji nowych umów z jednym lub kilkoma narzędziami. Firma ma tutaj patenty w USA na projekt, a także w Europie, Rosji, Chinach, Japonii i Kanadzie, i zapewniła pierwszą rundę finansowania na laboratoryjną demonstrację technologii komponentów w przyszłym roku. Spirnak ma nadzieję przekonać inwestorów do wsparcia 250-megawatowej instalacji pilotażowej do końca fazy projektowania i testowania, być może w ciągu pięciu lat.
Dwie kosmiczne struktury są wymagane do działania kosmicznego słońca. Po pierwsze, półprzewodnikowe wzmacniacze mocy, które skutecznie przetwarzają energię elektryczną z zebranego światła słonecznego na fale o częstotliwości radiowej, oraz odbiorniki na ziemi, które przekształcają fale RF z powrotem w energię elektryczną.
Paul Jaffe trzyma opatentowany przez Naval Research Laboratory, opatentowany moduł konwersji „słonecznej” przestrzeni kosmicznej przed termiczną komorą testową próżni. (Paul Jaffe) 
Space Solar Prototyp: ten moduł konwersji światła słonecznego na mikrofalę w kosmicznej energii słonecznej był pierwszym testowanym w warunkach podobnych do kosmosu. Roboty kosmiczne zostaną wykorzystane do zgromadzenia tysięcy w celu stworzenia nadajnika kosmicznego satelity słonecznego. (Paul Jaffe) 
Prototypy kosmicznego modułu konwersji energii słonecznej NRL zostały przetestowane w tej próżni termicznej i w symulowanym obiekcie do testowania oświetlenia słonecznego. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, inżynier z Naval Research Laboratory w Waszyngtonie, pracował nad dwoma prototypami modułu zbierającego, który określa jako „kanapkę”, ponieważ kolektor słoneczny, przetwornik mocy i emiter RF są zmiażdżone razem w stopę - kwadratowa płytka o grubości dwóch cali. Waga każdego pojedynczego modułu ostatecznie określa cenę dystrybuowanej energii elektrycznej na ziemi; Jaffe twierdzi, że pod względem liczby watów na kilogram wystartowała podstawowa konstrukcja kafelków o mocy około 6 watów na kilogram.
Biorąc pod uwagę tę moc wyjściową, żywotność 20-letniej elektrowni słonecznej, koszt uruchomienia 2500 USD za kilogram oraz różne poziomy kosztów samych komponentów, Jaffe oblicza, że jeśli masa spadnie, a moc wzrośnie do 500 watów na kilogram, to odpowiada kosztowi 3 centów za kilowatogodzinę.
„Robienie nawet bardzo prostych rzeczy w celu zmniejszenia masy pozwala nam osiągnąć zakres 100 watów na kilogram, a 1000 watów na kilogram nie jest szalone”, mówi. „Uzyskujesz bardzo dobrą wydajność dzięki obecnej technologii słonecznej, która jest już dostępna na rynku, a my codziennie noszymy te bardzo wydajne, lekkie konwertery RF w naszych kieszeniach”.
Konwertery RF to właśnie powód, dla którego działają telefony komórkowe - telefony to w zasadzie gloryfikowane krótkofalówki, których sygnałom pomaga sieć stacji przekaźnikowych. Konwertery w telefonie przekształcają fale radiowe w dane, które rozumiemy - audio - i odwrotnie. Technologia ta ma kluczowe znaczenie dla badań kosmicznych energii słonecznej w Caltech, we współpracy między tamtejszymi naukowcami i inżynierami a Northrop Grumman.
Spirnak twierdzi, że głównym celem prac Solarena w ostatnich miesiącach było właśnie to - zmniejszenie ciężaru ich modułów. Choć rakiety wielokrotnego użytku jeszcze bardziej obniżyłyby ogólny koszt produkcji, Spirnak nie wstrzymuje oddechu w najbliższym czasie; zastanawia się nad wykorzystaniem konwencjonalnych pojazdów o dużym udźwigu, aby wypuścić komponenty Solarena w kosmos.
„Spędziliśmy dużo czasu bezwzględnie na odejmowaniu wagi od systemu”, mówi Spirnak. „Możemy pakować pojedyncze duże elementy w pojedyncze wyrzutnie, z kilkoma interesującymi wyczynami origami”, chociaż dostarczenie całego systemu w kosmos nadal będzie wymagało wielu bardzo ciężkich wyrzutni.
Jaffe mówi, że jednym z najczęstszych pytań, jakie zadaje, mówiąc o kosmicznej energii słonecznej, nie jest to, czy można to zrobić, ale jak niebezpieczna jest wiązka energii z kosmosu. Czy to nie będzie smażyć ptaków i samolotów na niebie, kiedy przechodzą przez wiązkę?
„Jeśli siedzisz na zewnątrz w słoneczne popołudnie przez 15 minut, nie poparzysz się”, wyjaśnia. „Nasze radia, telewizory i telefony komórkowe nas nie gotują, a wszystkie mają te same częstotliwości co proponowane. Istnieją już limity bezpieczeństwa [dotyczące transmisji mikrofalowych] ustalone przez IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers], więc projektujesz system, aby zapewnić rozłożenie mocy na dużym obszarze. Nie zamieni się przypadkowo w promień śmierci. ”
Aby uzyskać najlepszy stosunek kosztów do masy, wydajności skali i mieć porównywalną moc elektryczną przeciętnej elektrowni jądrowej (1 do 2 gigawatów), każdy układ gromadzenia energii słonecznej w kosmosie musiałby mieć średnicę około kilometra.
Odbiorniki na ziemi musiałyby być odpowiednio duże - aby kosmiczna elektrownia słoneczna wytwarzała około jednego gigawata energii, kolektor słoneczny o długości jednego kilometra (0, 62 mili) emitowałby energię na 3, 5 kilometra szerokości (2 mile) ) odbiornik na ziemi. Wymagałoby to powierzchni około 900 akrów. Porównaj to z elektrownią słoneczną Solar Star w Kalifornii, która obecnie jest największym amerykańskim zakładem produkującym energię słoneczną, który zajmuje 3200 akrów.
Transmisja mocy o częstotliwości radiowej ma jedną istotną wadę: „bezpieczne” długości fal, które również nie ulegną załamaniu przez coś tak prostego, jak deszcz, są już przepełnione, zatkane przez regularne transmisje radiowe, a także do celów wojskowych, przemysłowych i satelitarnych.
Krytycy kosmicznej energii słonecznej, widoczni wśród nich Elon Musk Tesli, twierdzą, że wydajności na skalę ekonomiczną po prostu nie da się osiągnąć ze względu na całą konwersję i rekonwersję wymaganej mocy.
Ale Jaffe ma nadzieję, że stare pękanie na fuzji nie stanie się prawdą także w przypadku kosmicznej energii słonecznej: „Minęło 10 lat od ostatnich 60 lat”, śmieje się.
Mankins podkreśla, że biorąc pod uwagę prognozę globalnej populacji, która pod koniec wieku wzrośnie do 11, 3 miliarda, przy czym prawie wszystkie z nich są reprezentowane w krajach rozwijających się, kosmiczna energia słoneczna zasługuje na poważne inwestycje zarówno podmiotów publicznych, jak i partnerów prywatnych. Mówi, że obfita czysta energia jest niezbędna, aby zaspokoić podstawowe potrzeby ludzkie, a także zająć się zapewnionym zniszczeniem środowiska, jeśli cała ta energia pochodzi z konwencjonalnych źródeł.
„Jeśli mieszanka źródeł energii nie zmieni się radykalnie, nie będziemy mogli osiągnąć neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla” - mówi Mankins. „Nie można również powiedzieć 800 milionom ludzi w Chinach, że muszą pozostać w skrajnym ubóstwie. Trzeba nie tylko zrównoważyć dzisiejsze zużycie dwutlenku węgla, ale także spojrzeć w przyszłość 70 lat i jak trzy razy zrówniemy to zużycie. Naprawdę potrzebujemy dużych rozwiązań. ”
