Prototyp kosmicznej elektrowni słonecznej, który został wyniesiony na orbitę w styczniu, działa i po raz pierwszy zademonstrował swoją zdolność do bezprzewodowego przesyłania energii na Ziemię.
Inżynierowie z Caltech (California Institute of Technology) twierdzą, że z powodzeniem udało im się bezprzewodowo przesłać do odbiornika na Ziemi energię zebraną na orbicie przez panele słoneczne zainstalowane na Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1). To eksperymentalna instalacja wyniesiona w przestrzeń kosmiczną początkiem tego roku. Udane przesłanie energii z orbity na Ziemię może być przełomem dla przyszłości wytwarzania energii i udowadnia, że orbitalna farma słoneczna ma rację bytu.
SSPD-1 powstał w ramach Space Solar Power Project (SSPP), w który zaangażowali się naukowcy z Caltech. Projekt ma na celu rozwój technologii potrzebnych do pozyskiwania energii słonecznej w kosmosie i przesyłania jej na powierzchnię Ziemi. Kluczowym elementem instalacji jest urządzenie o nazwie MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment).
Energia słoneczna jest najszybciej rozwijającą się formą energii odnawialnej i obecnie stanowi 3,6 procent światowej produkcji energii. To czyni ją trzecim co do wielkości źródłem na rynku energii odnawialnej, po elektrowniach wodnych i wiatrowych. Eksperci szacują, że te trzy metody będą rosły wykładniczo w nadchodzących dziesięcioleciach, osiągając do 2035 r. 40 procent światowej produkcji energii. Oczekuje się, że do połowy wieku odnawialne źródła energii będą stanowić łącznie 90 procent rynku energii, a energia słoneczna będzie stanowić mniej więcej połowę.
Jednak aby to mogło nastąpić, należy przezwyciężyć kilka technicznych wyzwań i problemów. Głównym czynnikiem ograniczającym produkcję energii słonecznej jest to, że panele mogą gromadzić energię tylko wtedy, gdy dostępna jest wystarczająca ilość światła słonecznego. Jednak problem ten można ominąć lokalizując elektrownie na orbicie. Takie satelity-elektrownie mogłyby pozyskiwać energię ze Słońca 24 godziny na dobę, 365 dni w roku, bez przerwy.
Od lat badacze na całym świecie szukają sposobu, by urzeczywistnić tę wizję. Teraz wydaje się, że udało się to naukowcom z Caltech. W komunikacie poinformowali oni o pierwszym udanym transferze energii z orbity do odbiorników zainstalowanych na dachu jednego z laboratorium na kampusie Caltech w Pasadenie.
Kluczowe w orbitalnym prototypie elektrowni jest urządzenie MAPLE, które zostało opracowane przez zespół z Caltech kierowany przez Ali'ego Hajimiri'ego, wicedyrektora SSPP. Składa się z szeregu elastycznych, mikrofalowych odbiorników i nadajników do przesyłania energii w wybrane miejsca, kontrolowanych przez niestandardowe chipy elektroniczne.
MAPLE najpierw odbiera energię z paneli słonecznych i przetwarza ją na prąd stały, a następnie wykorzystuje ją do zasilania diod LED, aby zademonstrować, że wszystko idzie dobrze. Podczas testów na orbicie, MAPLE był w stanie odbierać energię skierowaną w jego kierunku, a następnie wysłać ją w kierunku Ziemi.
Nadajniki są w stanie zmienić skupienie i kierunek emitowanej energii i to bez żadnych ruchomych części. Układ nadajników wykorzystuje precyzyjne elementy kontroli czasu, aby dynamicznie i selektywnie skupiać moc w żądanym miejscu, dzięki czemu większość energii może zostać przesłana w wybrane miejsce i nigdzie indziej.
Kluczowe komponenty SPPD-1 nie są uszczelnione ani osłonięte, co oznacza, że są narażone na ekstremalne wahania temperatury w przestrzeni kosmicznej i promieniowanie słoneczne. SPPD-1 posiada również 32 różne typy ogniw fotowoltaicznych, aby umożliwić ocenę typów ogniw, które są najskuteczniejsze w przestrzeni kosmicznej.
Co ważne, prototypowa elektrownia orbitalna została zbudowana przy użyciu tanich technologii. Jest lekka i elastyczna, co pozwala zapakować ją do luku ładunkowego rakiety i wysłać ją na orbitę w rozsądnych pieniądzach. Udowodniła też, że działa i może przetrwać podróż w kosmos i pracować w trudnych warunkach.
- Dzięki eksperymentom, które przeprowadziliśmy do tej pory, otrzymaliśmy potwierdzenie, że MAPLE może z powodzeniem przesyłać energię do odbiorników w kosmosie. Byliśmy również w stanie zaprogramować układ tak, aby kierował swoją energię w stronę Ziemi, co wykryliśmy tutaj w Caltech. Oczywiście przetestowaliśmy go na Ziemi, ale teraz wiemy, że może przetrwać podróż w kosmos i tam również działać – powiedział Hajimiri.
Sygnał przesyłanej energii pojawił się na Ziemi w oczekiwanym czasie i z oczekiwaną częstotliwością. Oprócz wykazania, że nadajniki mocy mogą przetrwać wystrzelenie w kosmos, eksperyment dostarczył też inżynierom z SSPP przydatnych informacji zwrotnych. Obecnie uczeni analizują wydajność poszczególnych elementów systemu, co pozwoli na budowę następnych, lepszych generacji urządzenia. W komunikacie nie podano, z jakimi stratami energii należy się liczyć podczas takiego przesyłu.
- O ile nam wiadomo, nikt nigdy nie zademonstrował bezprzewodowego transferu energii z kosmosu. Robimy to za pomocą elastycznych, lekkich struktur i naszych własnych układów scalonych - przyznał Hajimiri. - W ten sam sposób, w jaki Internet zdemokratyzował dostęp do informacji, mamy nadzieję, że bezprzewodowy transfer energii zdemokratyzuje dostęp do energii. Żadna rozbudowana infrastruktura nie będzie potrzebna na Ziemi, aby otrzymać tę energię. Oznacza to, że możemy wysyłać ją do odległych regionów i obszarów zniszczonych przez wojnę lub klęskę żywiołową – dodał.
Oprócz MAPLE SPPD-1 posiada również dwa inne eksperymenty. ABLA to wspomniany już zestaw różnych ogniw fotowoltaicznych do oceny ich efektywności. Jest też moduł DOLCE, który ma służyć do rozwijania paneli słonecznych.
Źródło: Caltech, Science Alert, fot. Caltech/ SSPP
