V roce 2050 bude na Zemi žít kolem 10 miliard, tedy o třetinu víc obyvatel a jejich potřeba elektrické energie bude obrovská. Odhaduje se, že oproti dnešku vzroste tři až pětkrát. Pozemské zdroje rozhodně stačit nebudou! Najdeme potřebné zdroje ve vesmíru?
Spotřeba elektrické energie roste nejen ve vyspělých zemích. Například energetické požadavky „čínského draka“ rostou dramatickým tempem.
Energie je v současné době produkována především spalováním tradičních fosilních paliv, což přináší obavy z rostoucího znečištění ovzduší, zajištění spolehlivých dodávek a také vzrůstající ceny energií. Je zřejmé, že zásoby těchto paliv budou postupně vyčerpány.
Nukleární elektrárny, které by mohly situaci částečně řešit, jsou však technologicky velmi náročná zařízení, která musí splňovat velmi přísné bezpečnostní předpisy. Navíc v řadě zemí dnes nepanuje žádné nadšení pro jadernou energii. Další (obnovitelné) zdroje pak nemohou rostoucí poptávce stačit. Světová energetická rada (World Energy Council) publikovala studii, po které bude v roce 2050 jen 15% celkové spotřeby produkováno pozemskými solárními elektrárnami.
Ve vesmíru je energie dostatek
Přitom ve vesmíru je energie víc než dostatek, neboť naše Slunce ji produkuje enormní množství. Na každý metr čtvereční plochy dopadá ve vzdálenosti naší Země téměř 1400 W energie. Její zpracování přímo na zemském povrchu se ale potýká s řadou problémů, ať už se jedná o obrovské plochy polí solárních kolektorů, proměnlivost počasí či střídání dne a noci. Pokud bychom ale sluneční elektrárnu postavili mimo naší planetu, většině těchto překážek bychom se mohli vyhnout.
V úvahu přicházejí v podstatě dvě základní varianty. S první z nich přišel už v roce 1968 Američan Peter Glaser (Arthur D. Little, Inc.), který navrhl umístnit na geostacionární dráhu obrovskou družici, která by zde shromažďovala sluneční energii.
Druhá varianta se od té první poněkud liší. Zařízení pro zachytávání energie Slunce by se totiž mohlo nacházt na Měsíci. Podle velkého zastánce této myšlenky, amerického fyzika Davida R. Criswella (University of Houston), který už mnoho let za toho řešení lobuje, by tato varianta byla v konečném důsledku výrazně levnější než solární elektrárny na oběžné dráze kolem Země.
Zatím je to příliš drahé
V minulosti již bylo předloženo několik návrhů konstrukce orbitální sluneční elektrárny. Pokud by ale měly být efektivní a vyrábět elektrickou energii za „rozumnou“ cenu, muselo by dojít k dramatickému poklesu cen družic, jejich dopravy na oběžnou dráhu, montáže velkých zařízení ve vesmíru i jejich údržby. K dosažení přijatelné ceny energie, by musely veškeré zmíněné náklady klesnout pod 60 dolarů na kilogram, tedy desettisíckrát, vezmeme-li v úvahu dnešní ceny výroby a vynášení umělých družic do vesmíru.
Pokrytí světové spotřeby energie by v budoucnosti vyžadovalo vypuštění až 6000 velkých družic, které by produkovaly elektrickou energii. Představuje to asi 330 000 km2 solárních panelů, což je plocha srovnatená například s rozlohou Finska. Celková hmotnost těchto zařízení by přesáhla 300 miliónů tun.
Přitom plocha solárních panelů všech dnešních družic umístěných na geostacionární dráze se pohybuje řádově v desetinách km2. Je tedy zřejmé, že bude trvat ještě mnoho let, než bude dosaženo potřebného technologického pokroku k realizaci orbitálních slunečních elektráren.
Stačí nám jen zlomek
Podle názoru Davida Criswella je proto ideálním nápadem umístění solární elektrárny na povrch souputníka naší planety. Z Měsíce na Zem by se pak energii dala vysílat ve formě mikrovlnného záření. Na povrch Měsíce totiž dopadá 13 000 TW sluneční energie. Přitom prosperující civilizace o 10 miliardách obyvatel (v roce 2050) bude vyžadovat kolem 20 TW energie. Stačí tedy „maličkost“, využít zlomek energie, která je na Měsíci dostupná.
Autor proto navrhuje vybudovat Lunar Solar Power (LSP) System, který by se skládal z 10 až 20 dvojic jakýchsi solárních základen. Z každé dvojice by se jedna základna nacházela v blízkosti východního a druhá u západního okraje (při pohledu ze Země) měsíčního disku. I při otáčení Měsíce kolem své osy by tak vždy alespoň jedna z každé dvojice elektráren byla vystavena slunečnímu záření. Celý systém by navíc mohl být podpořen rozsáhlými poli solárních panelů, umístěných na odvrácené straně Měsíce.
Každá ze základen bude tvořena z desítek tisíc energetických polí, rozmístěných na území tvaru elipsy. Vznikne tak jakýsi segmentovaný fázový radar, poháněný sluneční energií. Každé pole se bude skládat ze čtyř základních komponent. V první řadě to budou solární články, schopné shromažďovat sluneční energii a měnit ji na elektrickou. Pod povrchem ukryté kabely ji pak dopraví do mikrovlnných generátorů, které elektrickou energii přemění na mikrovlnné záření o patřičné fázi a amplitudě, a vyšlou ho na mikrovlnné reflektory, které jej odrazí směrem k Zemi.
Na Měsíci jsou přívětivé podmínky
Srovnáme-li podmínky na Měsíci s podmínkami na naší domovské planetě, zjistíme, že není co řešit. Měsíční varianta totiž nepřináší tak dlouhou řadou komplikací, které by omezovaly provoz solární elektrárny. V první řadě zde není problém rozmístnit rozsáhlá pole solárních panelů. Prostředí bez atmosféry navíc prodlouží životnost zařízení vystavěných na povrchu.
Žádný kyslík, voda, či jiné plyny nebudou „hlodat“ na citlivých slunečních kolektorech a vyhneme se zde i negativnímu působení větru, deště, ledu, prachu nebo vulkanického popela, které by pokryly panely a snížily tak jejich efektivitu. Ani dopadu mikrometeoritů na solární články se podle odhadu odborníků není třeba příliš obávat. A „měsícotřesení“ jsou relativně slabá.
Měsíc naopak nabízí spoustu materiálu pro vybudování lunární základny i samotných solárních elektráren. Měsíční horniny mohou být roztaveny koncentrovaným slunečním zářením a přeměněny ve stavební materiál pro nejrůznější použití. Prvky jako jsou křemík, hliník či železo mohou být získány z měsíční půdy a použity pro výrobu solárních článků. Stopové prvky pro jejich obohacení budou přivezeny ze Země.
Návrhy počítají s tím, že až 90% veškerého zařízení by mohlo být vyrobeno ze zdrojů dostupných na měsíčním povrchu. Tím pádem by se výrazně snížily náklady na dopravu materiálu ze Země. Odhady následně hovoří o tom, že ve srovnání s energií vyráběnou družicemi na oběžné dráze, by každý kilogram hmoty dovezené ze Země vyprodukoval až 1400krát více energie než by tomu bylo v případě orbitální elektrárny.
Jak dostat energii na Zem?
Při pohledu ze Země by se energetická pole příslušné základny překrývala a vytvářela tak anténu o průměru až 100 metrů. Mikrovlnné záření, vysílané touto „anténou“ na vlnové délce 12 cm, by pak zachytily pozemské přijímače (rektény), které by elektrickou energií zásobovaly přilehlý region. Každý přijímač bude tvořen rozsáhlými poli malých antén.
Pokud by několik tisíc takových rektén s celkovou plochou kolem 100 000 km2 (rozloha např. Bulharska) bylo strategicky rozmístěno kolem celé zeměkoule, měly by být schopny dodávat tolik energie, kolik podle předpokladů bude civilizace v roce 2050 potřebovat. Jejich celková plocha bude přitom pouhých 5% plochy solárních článků, které by bylo třeba položit na zemský povrch, aby generovaly stejné množství energie.
Přijímače rozmístěné mezi 60. stupněm severní a jižní šířky by byly v přímé viditelnosti s Měsícem zhruba po 8 hodin denně. Jejich efektivita by navíc mohla být zvýšena flotilou retranslačních satelitů na oběžných drahách s velkým sklonem k rovníku. Tím by mohlo být dosaženo i 24hodinového pokrytí konkrétního místa na zemském povrchu. Celková plocha antén těchto satelitů by činila pouhé 1% plochy solárních článků potřebných pro generování stejného množství energie na oběžné dráze Země.
Neškodné paprsky
Mikrovlnné záření nebylo pro takový přenos energie vybráno náhodou. Narozdíl od slunečních paprsků totiž bez problémů prochází skrz mraky, déšť, prach i kouř. Navíc by v navrženém scénáři nemělo představovat riziko pro život na Zemi.
Paprsek záření, jehož maximální intenzita by byla velmi nízká, by „přinesl“ na každý 1 m2 povrchu přijímače energii asi 200 W. Člověk, který by se z nějakého důvodu pohyboval přímo v paprsku mikrovlnného záření, by absorboval kolem 2% přicházející energie a cítil by tak jen mírné teplo. Nicméně veřejnost by do oblastí přijímačů energie neměla vůbec přístup. Mikrovlnné paprsky by rovněž neměly ohrožovat ani prolétající hmyz či ptáky.
Autor studie David Criswell se domnívá, že už nyní je lidstvo technologicky schopno taková zařízení zvládnout. Podle jeho propočtů by demonstrační projekt solární elektrárny na Měsíci mohl začít produkovat elektrickou energii do 10 let od svého spuštění. Jediným omezením podle jeho názoru je, jak bude lidstvo schopno aplikovat své vynálezy a dovednosti a tím ještě více snížit cenu takto získané energie.
Využití současných zkušeností
Lidstvo už má s některými systémy, které by mohly být využity při budování LSP (Lunar Solar Power), zkušenosti.
• Přenos energie mezi Zemí a Měsícem je již úspěšně používán při radarovém průzkumu Měsíce či při přesném měření jeho vzdálenosti. Vědci pro tyto účely využívají například obří radioteleskop v Arecibo na Portoriku.
• V americkém státě New Mexico je zase v provozu pohyblivá soustava radioteleskopů Very Large Array (VLA), která může dosáhnout operačního průměru až 30 km. Tento přístroj je možno považovat za jakýsi prototyp přijímače energie (rektény). Fázová přesnost VLA je přitom 10krát lepší, než by bylo potřeba v případě pozemských přijímačů mikrovlnného záření z Měsíce.
• Před několika roky se uskutečnil let raketoplánu, který vezl radar, s jehož pomocí byla podrobně zmapována velká část zemského povrchu. Tento experiment by se dal považovat za demonstraci činnosti retranslačních antén na oběžné dráze.
Solární panely z prachu
Protože doprava solárních panelů pro lunární základnu ze Země by vyžadovala velké náklady, zabývá se americký tým Alexe Freundlicha (University of Houston) myšlenkou jejich výroby z měsíčního prachu, regolitu. Měsíční regolit je jemný šedý prášek, z poloviny tvořený oxidem křemičitým a obsahující dalších 12 oxidů kovů včetně hliníku, hořčíku či železa.
Vědci došli k závěru, že tato směsice obsahuje všechny nezbytné prvky pro výrobu solárních panelů. Jejich nápad je poměrně jednoduchý. Solární energií poháněný robot, pohybující se po povrchu Měsíce, bude regolit sbírat, tavit jej a za sebou zanechávat sklovitý podklad pro položení solárních článků. Freundlich a jeho tým dokonce tento postup úspěšně vyzkoušeli ve vakuové komoře s materiálem, který má identické složení se vzorky dovezenými z Měsíce.
Výzkumníci jsou rovněž důslední v uplatňování postupů, které budou dostupné v podmínkách panujících na měsíčním povrchu. To znamená, že solární panely vyrobené touto cestou nebudou příliš efektivní. Plocha takto vyrobených panelů není ovšem nijak omezena, proto nebude nízká účinnost překážkou.
