Pár héttel ezelőtt az Airbus mérnökei Münchenben bemutatták, hogy mi lehet szerintük a tiszta energia jövője. Napelemekkel gyűjtöttek napfényt, az energiát mikrohullámokká alakították, majd átsugározták egy repülőgéphangár túloldalára, ahol elektromos energiává alakították, majd különböző dolgokat, például egy város makettjét világították meg vele. A bemutató során mindössze 2 kilowatt továbbítódott alig 36 méter távolságra, de az elképzelés nagyon is komoly és grandiózus. A mérnökök szerint ugyanis eljött az ideje, hogy megvalósítsák azt a tervet, amely eddig csak tudományos-fantasztikus művekben realizálódott. Vagyis hogy napelemeket telepítsenek a légkörön kívülre, olyan magas pályára, ahol gyakorlatilag a nap 24 órájában hasznosíthatják a napenergiát, hogy azt a Földre továbbítsák.
Jean-Dominique Coste, az Airbus szakértője szerint a koncepció egyáltalán nem fantasztikum, hanem egy mérnöki probléma, amit rövidesen képesek leszünk megoldani.
A zöld energia iránti sürgető igény, az űrhöz való egyre olcsóbb hozzáférés és a technológia fejlődése ugyanis végre elérhető közelségbe hozta a megvalósulást, állítják az űrbeli napenergia hívei.
És ha valaki megteszi a szükséges lépéseket, óriási sikerre számíthat. „Ebből billió dolláros iparág lehet” – mondja John Mankins, a NASA egykori kutatója, aki egy évtizeddel ezelőtt az űrügynökség számára értékelte az űrbéli napfarmok megvalósításának lehetőségét.
A nagyobb beruházásokra valószínűleg még egy darabig várni kell, és számos technikai kérdés vár megválaszolásra, többek között az is, hogyan lehet gigawattnyi energiákat a bolygóra küldeni hatékonyan anélkül, hogy az élőlények megsülnének. Az elképzelés kapcsán ugyanakkor egyre több dolgot tesztelnek a Földön és az űrben is. Az Európai Űrügynökség (ESA) – amely a müncheni bemutatót is támogatta – a jövő hónapban javaslatot tesz tagjainak egy kísérleti programra, amelynek célja a rendszer megvalósíthatóságának felmérése lesz. Az Egyesült Királyság kormánya idén 6 millió fontig terjedő támogatást ajánlott fel az ilyen technológiák tesztelésére. De Kínában, Japánban, Dél-Koreában és Amerikában is dolgoznak a megvalósítás különböző aspektusain.
„Egészen átalakult a témáról való beszéd hangvétele”
– mondja Nikolai Joseph, a NASA elemzője. Karen Jones, az Aerospace Corporation munkatársa egyetért, a koncepción dolgozókat hallva úgy tűnik, hogy ami korábban lehetetlennek tűnt, ahhoz ma már csak összefogásra van szükség, és ki kell dolgozni, hogyan működhet.
Gazdaságos horizontok
A NASA először az 1970-es évek közepén, az olajválság idején kezdte vizsgálni az űrbéli napenergia koncepcióját. A javasolt tesztküldetés azonban körülbelül 1 billió dollárba került volna a korabeli technológiával, így az ötletet elvetették, és Mankins szerint az ügynökségnél sokak számára azóta is tabutéma maradt.
Napjainkra azonban az űr- és a napenergia-technológia a teljesen megváltozott. Jones elmondása szerint a fotovoltaikus napelemek hatékonysága csak az elmúlt évtizedben 25%-kal nőtt, miközben a költségek jelentősen csökkentek. A mikrohullámú adók és vevők a távközlési iparban jól bevált technológiának számítanak. És már jelenleg is fejlesztés alatt állnak olyan robotok, amelyeket a Föld körül keringő műholdak javítására szánnak. Ezek az űrbéli napelemek telepítésére is alkalmasak lehetnek.
A legnagyobb lökést azonban a koncepciónak a csökkenő indítási költségek adták. Egy olyan méretű napfarmhoz, amely képes lehet egy tipikus atom- vagy szénerőművet helyettesíteni, több kilométernyi átmérőben kellene napelemeket hordozó műholdakat az űrbe telepíteni, ami több száz indítást igényel.
Egy ideje azonban ez sem tűnik lehetetlennek.
A SpaceX magánűrvállalat Falcon 9 hordozórakétája kilogrammonként 2600 dolláros áron juttatja az űrbe rakományát, ami kevesebb mint 5%-a az űrsiklók költségeinek.
És a cég fejlesztés alatt álló, talán még idén elstartoló, Starship rakétájával még ennél is sokkal olcsóbb lesz a terhek űrbe juttatása: Elon Musk cége 10 dolláros kilogrammonkénti árat ígér a jövőre nézve. Ez pedig mindent megváltoztat.
Arról nem is beszélve, hogy a SpaceX az elmúlt időszakban látványosan demonstrálta, hogy képes sorozatban tömegével felbocsátani műholdakat: Musk műholdas internethálózata, a Starlink műholdjait 2019-ben kezdték felbocsátani. A hálózat jelenleg több mint 3000 működő műholdból áll, a SpaceX idén eddig 31 sikeres indításon van túl, ami a műholdhálózatot illeti.
A Starlink példája azt is jól demonstrálja, hogy a tömegtermelés milyen mértékben képes csökkenteni az űreszközök előállítási költségeit. Míg NASA Perseverance marsjárója 2 millió dollárba került kilogrammonként, a SpaceX kevesebb mint 1000 dolláros kilogrammonkénti áron gyártja a Starlink-műholdakat.
Mankins elmondása szerint ez a megközelítés minden olyan óriási űrszerkezet esetében működhet, amelyek nagy számú egyforma elemből áll. Szerinte az alacsony költségű indítás és a hipermodularitás kombinálásával az űrbéli napenergia kiaknázása gazdaságosan megvalósítható lehet.
Hightech szendvicsek
További fejlesztésekkel még kedvezőbbé válhatnak a gazdaságossági szempontok. Coste elmondása szerint az Airbus müncheni bemutatója összességében 5%-os hatásfokú volt a napenergia bemenetét a villamos energia kimenetét összevetve. A földi napelemes rendszerek ennél jelentősen jobban teljesítenek, de csak akkor, ha süt a nap.
Ha az űrből nyert napenergia hasznosítása 20%-os hatásfokot tud elérni, akkor a legújabb kalkulációk szerint már árban is felveheti a versenyt a meglévő energiaforrásokkal.
Az alacsonyabb tömegű alkatrészek szintén javíthatnak a költségeken. Az integrált mikrohullámú adóval is rendelkező „szendvicspanelek”, segíthetnek ebben. Ezekből a pizzásdoboznyi méretű panelekből több ezer darabos nagy napelemeket lehet létrehozni, egy-egy olyan műhold alapját képezve, amelynél nincs szükség nehéz vezetékekre az energia átirányítására.
A kutatók évek óta tesztelnek ilyen a prototípusokat a földön, és 2020-ban az amerikai haditengerészet kutatási laborjának szakértői a légierő egy X-37B kísérleti űrrepülőgépére is felraktak egy hasonló rendszert. Ez Paul Jaffe, a projekt vezetője elmondása szerint még mindig pályán van, és szállítja az adatokat. A panel 8%-os hatásfokkal alakítja a napenergiát mikrohullámokká, de azokat egyelőre nem továbbítja a Földre. Jövőre ugyanakkor a légierő megkezdi egy olyan szendvicspanel tesztelését, amely már le is sugározza az energiát. A CalTech csapata pedig decemberben a SpaceX egyik hordozójának segítségével kezdi meg saját prototípusa űrbéli tesztelését.
A szendvicspanelek hátránya, hogy a mikrohullámú oldalnak mindig a Föld felé kell néznie, így a műhold keringése során a fotovoltaikus oldal nem mindig néz a Nap felé. A 24 órás termelés fenntartásához így a műholdnak tükrökre van szüksége, amelyekkel ezt az oldalt folyamatosan megvilágítva lehet tartani. A tükrök előnye ugyanakkor, hogy több fényt tudnak a panelekre koncentrálni, mint ami természetes körülmények között érné őket. Mankins egy 2012-es NASA-tanulmányban egy homorú, több ezer, egyenként irányítható vékonyfilm-tükörből álló konstrukciót javasolt ennek megvalósítására.
Ian Cash, a brit International Electric Company munkatársa más megközelítésen dolgozik. Az általa javasolt műhold nagy, rögzített tükröket használna, amelyek úgy vannak beállítva, hogy a fényt egy fotovoltaikus és mikrohullámú tömbre irányítsák. Az egész szerkezet forogna, hogy a tükrök a Nap felé irányuljanak. A napcellákból származó energia mikrohullámokká alakítva egy apró antennákból álló tömbre kerülne át, amelynek sugárnyalábját elektronikusan irányítanák a Föld felé, függetlenül a műhold aktuális orientációjától. Cash szerint ez a kialakítás kínálhatja a legjobb teljesítményt a tömegéhez képest, így gazdaságilag is ez lehet a leginkább versenyképes.
Komoly tervek
Ha egy ilyen, űrbe telepített napfarm valaha is működni fog, az általa termelt energiát hatékonyan és biztonságosan kell eljutnia a Földre. Egy nemrégiben elvégzett felszíni teszt során Jaffe csapata 1,6 kilowattot sugározott 1 kilométer távolságra, és Japánban, Kínában, illetve Dél-Koreában is történtek már hasonló próbálkozások. A jelenlegi adók és vevők azonban a bemeneti teljesítmény felét elveszítik. A napenergia űrből történő lesugárzásához legalább 75%-os továbbítási hatásfokra lenne szükség, de az ideális a 90% lenne, mondja Sanjay Vijendran, az ESA munkatársa.
Ugyanakkor azt is vizsgálni kell, hogy mennyire biztonságos a légkörön keresztüli sugárzás. A legtöbb terv kilométeres sugárnyalábbal számol, hogy bármely űrhajó, repülőgép, ember vagy állat, amely belekerül, csak egy apró – remélhetőleg ártalmatlan – részét kapja a 2 gigawattos sugárzásnak. A vevőantennákat megépíteni olcsó, de telepítésükhöz nagy területekre van szükség. Bár elvileg lehetséges alattuk mezőgazdasági művelést folytatni, vagy az is elképzelhető, hogy az óceánon helyezik el ezeket, mondja Jones.
Egyelőre Európában veszik a legkomolyabban az állami oldalról az űrből származó napenergiával kapcsolatos terveket. Az ESA tavaly két költség–haszon-elemzést készíttetett a témában, és ezek alapján úgy tűnik, hogy az űrből származó napenergia költségeit tekintve felveheti a versenyt a felszíni megújuló energiaforrásokkal. De még az atomenergiához hasonló, magasabb ár mellett is versenyképessé teheti a piacon, hogy az éjjel-nappal rendelkezésre áll, ellentétben a hagyományos nap- vagy szélenergiával.
Novemberben az ESA egy olyan értékelés finanszírozására fogja kérni a tagállamokat, amely a technikai megvalósíthatóságot vizsgálja. Ha ez kedvezően zárul, 2025-ben megkezdődhet az első űrbéli napfarm megvalósítása.
Vijendran szerint 15–20 milliárd euróból az ESA 2030-ra pályára állíthat egy megawattos teszterőművet, és 2040-re egy gigawattos, a hagyományos naperőművekkel egyenértékű létesítményt is.
