Nevyčerpatelná a čistá

Řešením dodávky energie na příští tři miliardy let je využívání energie dodávané Sluncem. Průměrná hustota výkonu, dopadajícího na povrch Země, je díky její rotaci a vlivům jejího plynného obalu průměrně přibližně 100 W/m2. Z toho vyplývá, že kolektory této energie musí být velké. Pokud se používají kolektory umělé, jako sluneční články, termální kolektory, zrcadla a reflektory, jsou jejich ceny vysoké. Přirozené kolektory, jako vodní plochy (odpar a hydroelektrárny), plochy s různou absorpcí slunečního záření (vítr a větrné elektrárny), lesy a jiné energetické plodiny, jsou pro životní prostředí příjemnější, ale energie jimi dodávaná nestačí na pokrytí základní spotřeby.

Co zbývá? Připojit se na sluneční energii tam, kde je její výkonová hustota vyšší. Nad atmosférou je k dispozici více než kilowat, přesněji 1,37 kW/m2. Stále.

NĚCO HISTORIE
V roce 1968 publikoval absolvent pražské techniky a v uvedené době viceprezident americké firmy Arthur D. Little, dr. Petr Glaser, v renomovaném časopise Science článek, popisující princip družicové elektrárny. Navrhoval umístit na geostacionární dráhu Země kolektory pokryté slunečními články, z dopadajícího slunečního záření vyrábět mikrovlnný přenosový paprsek, ten zaměřit na přijímací usměrňovací anténu na Zemi, a tam z elektřiny stejnosměrné dělat střídavou, vhodnou pro zavedení do rozvodné sítě.

Nějakou dobu se nedělo nic, až přišly první ropné šoky v sedmdesátých létech. Zastánci Glaserovy koncepce bombardovali veřejnost USA články typu: „Postavme kosmické elektrárny a nebudeme závislí na Arabech.“ Nedalo se to vydržet, a tak Ministerstvo energetiky (DOE) a Národní úřad pro vesmír a letectví (NASA) pověřily v roce 1976 společnosti Rockwell a Boeing vypracováním návrhů projektů. V zadání jim NASA stanovila takové podmínky, které, jak se ukázalo dodatečně, celou koncepci znemožnily.

Boeing použil křemíkové články, Rockwell kombinovaný polovodič GaAlAs s pomocnými odraznými plochami. Přenosový paprsek byl mikrovlnný. Na základě těchto dvou návrhů pak NASA vypracovala referenční model: Družici a přijímací anténu, schopnou dodat do sítě 5 GW (o 1 GW více než by měl plný Temelín). Poté začalo hodnocení, co by znamenala realizace systému 60 takových elektráren s celkovou dodávkou do rozvodné sítě USA 300 GW. V roce 1980 se sjeli zainteresovaní do Texasu na učené hádání. Jeho výsledkem bylo, že to nejde realizovat.

PROČ TO NEJDE?
V zadání bylo předepsáno použití přenosového paprsku 2,45 GHz. Je v pásmu frekvencí vyčleněných pro průmyslová použití, dobře prochází atmosférou, jeho zdroje i přijímače jsou k dispozici. Odpovídal tedy i podmínce NASA, že je nutné použít známé technologie.

Další podmínkou bylo, že tento mikrovlnný svazek nesmí mít větší hustotu výkonu než 230 W/m2 ve středu a 10 W/m2 na okraji svazku. Pro příjem byla tedy nutná přijímací anténa o průměru 10 km na rovníku, s rostoucí zeměpisnou šířkou se její poledníková osa protahovala (dráha družice byla v rovině rovníku). Pro našich asi 50° severní šířky by to znamenalo 13 km.

Další podmínka zadání pravila, že všechny díly musí být vyrobeny a odtransportovány na oběžnou dráhu z povrchu Země. Protože účinnost celého řetězce zejména díky nízké účinnosti polovodičových článků byla okolo 7 %, bylo nutné pro 5 GWel mít kolektor o ploše 10×5 km2. Váha tak vyšla na 50 000 tun.

Takový 300 GW systém by byl neúnosně drahý (asi jako rozpočet armády USA na tři roky) a znamenal by neúměrné zatížení životního prostředí těžbou a dopravou pozemní i do kosmu. Mezitím si americké hospodářství na vyšší cenu ropy zvyklo a projekt usnul.

PROČ JE TO DRAHÉ?
Mikrovlnný svazek předepsaného kmitočtu a hustoty výkonu znamená vysokou cenu kosmického dílu a zejména obrovských přijímacích antén na Zemi. Přestože od projektu DOE/NASA již uplynulo 25 let, nikdo se zatím nezabýval systematickým hledáním lepšího přenosového svazku.

V roce 1980 pánové Akin a Miller (za předpokladu technologií známých v té době) vypočítali, že od 50 GWel. celého systému by bylo levnější využít výroby na Měsíci. Sice to znamenalo větší investiční náklady ze začátku, ale menší výrobní pro vyšší výkony. Dnes je výhodnost výroby na povrchu Měsíce nebo ve volném prostoru uznávaným faktem. Navíc, vyrábět sluneční články v umělém vakuu na Zemi, pak je vystavit působení atmosféry a nakonec je používat opět v kosmickém vakuu, připomíná noviny, které by na cestě od rotačky ke čtenáři byly povinně ponořeny do mořské vody.

CO JE POTŘEBA?
NAJÍT VHODNÝ PŘENOSOVÝ SVAZEK!
V podstatě existují dvě základní koncepce družicové elektrárny. První natáčí rovinný kolektor sbírající sluneční záření stále ve směru Slunce a část vysílající přenosový svazek směřuje k přijímací stanici na Zemi. Vzhledem k tomu, že směr ke Slunci se při rotaci a precesi Země mění, je nutné kolektor s vysílacím zařízením spojit otočným a kyvným kloubem (a přes něj přenášet celý vysílaný výkon).

Druhá koncepce ponechává sběrný kolektor ve stálé poloze. Tím se zmenšuje množství sluneční energie, které kolektor zachytí (přibližně třikrát na jednotku plochy), ale je možné vytvářet zakřivené a tedy pevnější struktury, zkrátit spoje kolektor-zdroj (sendvičové konstrukce), přizpůsobit dodávku spotřebě, snížit náklady na provoz. Pokud vím, první přišla s tímto návrhem skupinka českých nadšenců na kongresech IAF v roce 1980 a následujících (kompaktní družicová elektrárna, jako kolektorová plocha byl použit válcový paraboloid s povrchovými přímkami rovnoběžnými s osou rotace Země, jehož parametry podle tvrzení českého matematika Milana Kočandrle nemají vliv na účinnost zachycování sluneční energie, zato ale určují průběh denní dodávky výkonu).

Některé podmínky NASA pro přenosový svazek zůstávají v platnosti: přijatelné ztráty při průchodu atmosférou, možnost změny světelného záření Slunce na přenosový svazek na oběžné dráze, možnost změny přenosového svazku na nějakou formu energie využitelnou na Zemi, nejlépe elektrickou, řízení svazku ze Země.

Diskutovat je nutné o výkonové hustotě ve svazku. Bezpečné napětí je pár desítek voltů, přesto se používají motory na 6 kV a nad našimi hlavami vedou vedení 22 kV a víc. Doprovodné jevy vysoké hustoty výkonu ve svazku by mohly varovat případné narušitele před vstoupením do svazku. Možná by tato vysoká hustota výkonu svazku dokonce umožnila nové způsoby dopravy ze Země i Měsíce do kosmu.

Přímá přeměna slunečního záření na přenosový svazek by umožnila vypustit prvek s nejnižší účinností (a největší degradací v provozu) – polovodičové sluneční články. Řada lidí intuitivně studuje možnosti laserů čerpaných slunečním zářením a jimi vyráběný přenosový svazek (principiálně čím vyšší frekvence svazku, tím je možná větší hustota výkonu v něm, užší svazek, menší vysílací i přijímací zařízení).

Celkem pravidelně se objevuje na kongresech mezinárodní astronautické federace v sekci kosmické energetiky návrh umístit na geosynchronní dráhu zrcadlo a přenášet přímo viditelné spektrum bez konverzí. S ideou přišel původně Dr. Ehricke, světlo chtěl používat na osvětlování měst a případně rostlin v noci. Pro energetické účely vadí skutečnost, že Slunce je velké, při pozorování ze Země nebo její blízkosti zabírá přibližně polovinu úhlového stupně. Tedy zrcadlo ve vzdálenosti 36 000 km od povrchu Země by na něm vytvořilo obraz Slunce o průměru 300 km. Když si vycloníte menší část Slunce, klesne výkon.

Co dělat? Nejdřív hledat. Fantazírovat. Nalézt. A pak již zbývá jen to odzkoušet, vyhodnotit, upravit, realizovat vzorek a pak vyrábět ve velkém. Hodně zdaru.

Na www.3pol.cz najdete literaturu k dalšímu studiu.

SLOVNÍČEK
geostacionární dráha, GEO – na oběžné dráze ve výšce 36 tisíc km nad rovníkem je rychlost družice taková, že družice stále „visí“ nad jedním místem na rovníku. Jenom tam je možné stálé spojení družice s jedním místem na povrchu Země. Proto se GEO používá zejména pro komunikační družice.
nízká oběžná dráha, LEO – zpravidla mezi 300 až 500 km nad povrchem Země. Družice na ní oběhne Zemi přibližně za 90 minut, z jednoho místa na Zemi je „vidět“ přibližně 8 minut, případná anténa ji musí stále sledovat. U některých družic se tato doba používá pro přenos dat nahraných během oběhu, jiné mají sítě přijímacích stanic po světě nebo retranslační družice. Doprava na LEO je levnější než na GEO, rozlišení zemského povrchu lepší (je blíž). LEO se používá pro kosmické stanice s posádkou a družice pozorující Zemi.
rectenna, rectifying antenna – přijímací usměrňovací anténa mikrovlnného svazku na zemi
sluneční konstanta, solar constant – celkový tok radiačního záření Slunce na metr čtvereční (kolmý ke směru dopadu) ve střední vzdálenosti Slunce–Země. Pro energetiku se spokojíme s hodnotou 1,37 kW/m2. Když je Země od Slunce nejdál, dopadá na ni výkon asi o 3,3 % menší, a když vchází družice na GEO do stínu Země, je každý den po dobu přibližně 6 týdnů potmě, a to až 75 minut.
SPS, Space Power Satellite, Solar Power Station – družicová elektrárna, někdy i SSPS, Space Solar Power System soubor družicových elektráren.
geosynchronní – oběžná dráha, u níž družice v pravidelných intervalech přelétá stejná místa povrchu Země