Budoucnost energetiky není sci-fi (4) - Kosmická energie

Není třeba se obávat, tohle nebude pojednání o otevírání čaker, ladění se na spirituální podstatu Všehomíra a kontaktu s evakuovanou princeznou Dianou u Jupitera. Energií je tu míněna klasická fyzikální veličina, vágně definovaná jako schopnost hmoty konat práci, a kosmem budeme nazývat všechno kolem naší rodné Zeměkoule.

Ty nejzářivější optimistické sci-fi utopie hlásaly, že v dokonalé budoucnosti bude povrch Země vypadat jako idylická krajina plná lesů a luk, kde se pasou zvířátka, štěbetají ptáčkové, tu a tam se skrývá malinkatý domek a po pískem vysypaných pěšinkách se procházejí urostlí blonďatí modroocí muži a vnadné ženy v bílých řízách, vedou spolu filozofické debaty a všeho mají hojnost.

Když si odmyslíme, že to trochu zavání propagandistickými filmy Leni Reifenstahlové, v podstatě to není špatná představa. Vážně by bylo fajn, kdyby kolem byla jen příroda a uprostřed panenské krajiny váš dům se všemi vymoženostmi civilizace, bazénem, a nevyčerpatelnou zásobou dobře vychlazeného piva. Nikde žádné elektrárny, továrny, dráty ani ropovody.

Jenže aby to mohlo fungovat, pivo zůstalo vychlazené a bazénové čerpadlo jelo, musela by se nejspíš energetická výroba přesunout do vesmíru.

Oproti zemskému povrchu je vesmír obrovský, o stavební pozemky tu není nouze a leccos se v něm ztratí. Továrna zvící Prahy by vypadala při pohledu ze Země jen jako jasnější hvězdička a tak zbývá vymyslet tři věci – jak by se tam nahoru dostala, z čeho by kýženou energii získávala, a jak by ji posílala zpátky.

Řečeno na rovinu, elektrárny v kosmu jsou zatím čirá sci-fi. Vynesení kilogramu užitečného nákladu na nízkou oběžnou dráhu stojí statisíce korun a cena za obří stavbu na geostacionární dráze by byla doslova a do písmene astronomická. Levné kosmické lety přijdou nejspíš až s objevením antigravitace nebo hyperpohonu, do té doby bude třeba stále využívat drahou reaktivní sílu. Jistou naději by skýtal kosmický výtah. Jeho stavba sice nebude levná ani jednoduchá, ale jakmile bude v provozu, budou cesty do kosmu takřka za hubičku. V neposlední řadě je tu možnost vyvézt nahoru něco malinkatého, co se usídlí na povrchu vhodného asteroidu či Měsíce a samo se namnoží a promění v elektrárnu.

Asi budeme požadovat, aby výstupem z elektrárny byla elektřina, což je zatím nejlépe transportovatelná, i když ne skladovatelná, forma energie. K její výrobě můžeme využít následující zdroje, seřazené sestupně dle výtěžnosti:

- vodík či jiné lehké prvky při slučování v termonukleární fúzi, kterou zatím sice nemáme, ale jednou ji určitě ovládneme

- uran nebo jiné štěpné prvky při jaderném štěpení

- vodík nebo uhlovodíky při exotermické chemické reakci s kyslíkem, obecně nazývané hoření

- fotovoltaické panely

Mnohé romány využívají energii „přímo ze Slunce“ a různými typy polí, tunelů a teleportů sosají horkou hmotu z jeho nitra a dopravují k využití na Zemi. Slunce vypadá jako vynikající zdroj energie – jenom jeho erupce vyvrhují ze skvrn o rozměrech Jupitera výtrysky o výšce dvaceti Zemí a energiích současného výbuchu milionu stomegatunových atomovek. Jenže celá ta gigantická nádhera je energeticky více než chudá. Průměrná energie v metru krychlovém sluneční erupce se pohybuje kolem deseti Joulů, což je výrazně méně než energie v křupavé müsli tyčince. Přímé využití sluneční hmoty prostě není dobrý nápad.

Pokud se opravdu uvažuje o kosmické elektrárně, většinou se myslí fotovoltaika. Panely nemají pohyblivé součástky a záření je ve vesmíru habaděj. Na oběžné dráze kolem Země dopadá na plochu čtverce o hraně 50 km stejné množství energie, jako činí spotřeba lidstva. I při mizerné desetiprocentní účinnosti fotovoltaických panelů by pak plocha 150 na 150 kilometrů (s bídou třetina ČR) mohla pokrýt energetické požadavky celé lidské populace.

Klasické panely jsou pro použití v kosmu dávno odladěné a vyzkoušené, neboť je má snad každá družice. Stačí jich poskládat dohromady hodně a je vystaráno. Trochu víc sci-fi vzhled by měla elektrárna využívající koncentrovanou fotovoltaiku. Jejím jádrem jsou speciální, poměrně drahé vícevrstvé polovodičové struktury využívající nanotechnologií, vyrobené například z arsenidu gallia nebo telluridu kadmia, které však dosahují účinnosti přeměny světla na elektřinu třicet až čtyřicet procent! K tomuto fenomenálnímu výkonu ale vyžadují dostatečně koncentrované záření, a tak by kolem relativně malé elektrárny musela být velká plocha fresnelových čoček nebo zrcadel, která by sluneční svit soustřeďovala na malé modré čtverečky. Drobným detailem tohoto podniku by bylo, že koncentrované sluneční záření znamená vysokou teplotu, a to až 1000 °C, kterou je třeba nějak odvést.

Ostatně i teplo se dá v kosmu přímo využít, dá se jím zatopit třeba pod Stirlingovým motorem a jím pohánět nějaká fabrika. Zmíněný motor má uzavřený oběh pracovního média, které se v jednom místě ohřívá, v druhém ochlazuje, a rozdíl teplot pohání píst. To první hravě zvládne slunce, to druhé je ale v kosmu velký problém. Chlazení čehokoliv se dá ve vakuu provést jedině přes infračervené vyzařování, a aby to bylo účinné, potřebujete opravdu obří chladicí plochu. Na Měsíci se dá chladič zahrabat do regolitu. Ve stínu je tam opravdu zima, tak minus 150 °C, a pokud bude regolit dobrým vodičem tepla, není problém měsíční továrnu či elektrárnu rozjet.

Když už mluvíme o regolitu, elektrárna na Měsíci má tu výhodu, že se dá postavit z místních surovin a trochu tak ušetří za dopravu. Potřebné suroviny jsou ovšem značně rozptýlené. Hodilo by se vyvézt nahoru samoreplikující se malinkaté těžební automaty. Nebo ještě lépe jednu 3D tiskárnu, která by ty broučky tiskla, a oni by jí nosili materiál na nové broučky. Až by bylo broučků dost, začala by z donášeného materiálu tisknout sluneční panely. Musela by jich udělat opravdu hodně, nejlépe kolem celého Měsíčního rovníku. Díky pomalé rotaci naší družice je soláro na jeho povrchu celých 14 dní ve tmě, nic nevyrábí a musí za něj zaskakovat panel na opačné straně.

Zkoušet stejným způsobem postavit sluneční elektrárnu na Marsu je nesmysl. Planeta je dál od Slunce, dostává méně záření, má atmosféru a v ní čas od času silné prachové bouře, které by postupně povrch panelů osmirkovaly nebo alespoň zanesly prachem. Pro kolonisty by bylo výhodnější postavit fotovoltaiku na oběžné dráze (kde se jí ale do cesty budou plést Fobos a Deimos) anebo se porozhlédnout, jestli Mars nedisponuje nějakými jinšími energetickými surovinami.

Mají skoro jisté, že fosilní paliva tam nenajdou. Zatím nic nenaznačuje, že by Mars kdysi oplýval hustými Burroughsem popsanými lesy plnými monster, která by se po zapadnutí do bažiny změnila na uhlí. Možná by našli trochu metanu, ale veliká ložiska bez biologického původu nevypadají pravděpodobně. A i kdyby se tam nějaká „marťanská ropa“ objevila, všechny uhlovodíky potřebují kyslík, aby mohly hořet a uvolňovat energii, a kyslíku je na Marsu povážlivý nedostatek.

Mars by ale mohl oplývat ložisky uranu. Ta ke svému vzniku potřebují vodu a sopečnou činnost. Hydrotermální roztoky nasycené solemi uranu putují podložím a narazí-li na hezké místečko, usadí se, vypaří a vytvoří žílu uranu, případně čehokoliv jiného. Jen díky tomu můžeme na Zemi suroviny pohodlně těžit a ne prosívat sítečkem, jako by to bylo třeba dělat na Měsíci. Martští kolonisté tedy s sebou vezmou atomový reaktor, obohacovačku uranu a přidružený průmysl, a hned budou mít energie, co hrdlo ráčí. Přebytky mohou prodávat na Zemi, pokud se jim podaří nějak srazit ceny dopravy.

Ideální oblastí pro těžbu energetických surovin představuje systém Jupiteru, kde se nachází nepředstavitelně velká moře vodíku, a složitějších uhlovodíků je tam tolik, že bychom je ani za milion let nespálili. Kdyby Země obíhala kolem Jupiteru, těžíme vodík už dávno a nějaké energetické otázky vůbec neřešíme, jenže Jupiter je trochu z ruky. Průměrně 5 AU, čili co by světelný paprsek za slabou hodinku přeletěl a současné kosmidlo za rok přeplachtilo. Jupiterskou důlní společnost ale klidně založit můžete. Máte-li dost miliard na počáteční investice, stavbu těžebních zařízení, lodí, tankovacích stanic a robotů, kteří oddřou těžkou práci místo lidí, může se vám ten byznys jednou začít vyplácet. Stačí být trpělivý – pokud lidstvo nevymře, bude energie potřebovat čím dál tím víc.

Pro ty nedočkavější jsou tu komety a asteroidy, které se jednou za čas k Zemi dostatečně přiblíží, aby tu mohly být odchyceny a vytěženy. Nejvýhodnější jsou kamínky, jejichž oběžná dráha se hodně blíží zemské, a miliardáři založená asteroid mining company jménem Planetary resources už jich má pár vyhlédnutých. S vynaložením energie větší než malé se dá takový kamínek zaparkovat na geostacionární dráze u kosmického výtahu a doslova rozebrat na atomy, které se pošlou na Zemi. Asteroid ale svým složením obsahuje málo energetických surovin (kromě uranu, trochy vodíku a helia vlastně vůbec žádné) a tak by asi nesloužil jako energetický zdroj.

Zatím jsme se ale vůbec nedotkli otázky, jak by se ona v kosmu vyrobená elektřina vlastně dostávala do hypotetické vily uprostřed pralesa. Myšlenku, že bychom tam na padáku shazovali nabité akumulátory, můžeme zavrhnout rovnou. Ani drát z orbity dolů natažený nebude fungovat. Kromě přetržení vlastní vahou trpí klasické vedení poměrně velkými energetickými ztrátami, které jsou hlavní příčinou, proč na Zemi netaháme elektřinu z jednoho konce světa na druhý. Nízkoztrátová vedení jsou drahá a ještě těžší, takže ani ta ke kosmické elektrárně nedosáhnou. Uhlíkové nanotrubičky, ze kterých bude vyrobený výtah, by se možná k nějakému tomu vedení proudu přemluvit daly, ale je velkou otázkou, jestli zvládnou přenášet tak obří energetické toky – přece jen, tam nahoře bude věc o rozloze Čech, vyrábějící proud pro nějakých sedm miliard lidí…

Palivo se výtahovou kabinou vozit dá. Barely s vodíkem, uranem nebo metanem se mohou vozit do elektráren na povrchu, ale co s tou elektřinou? Je na čase zkusit to bez drátů. Není známo, co vymyslel Nikola Tesla, ale současní inženýři by chtěli energii dolů posílat laserovým nebo mikrovlnným paprskem. Oboje vyladěné tak, aby se jen minimum energie ztrácelo v atmosféře, a mířící na zachytávací anténu o průměru asi deseti kilometrů. Ta pro mikrovlny by mohla vypadat jen jako řídká drátěná síť. Z jedné centrální sběrny by se pak proud rozváděl dále (čili klasické dráty, trafostanice, nízkoztrátová vedení atd.) anebo by každý odběratel měl maličkou vlastní sběrnu na zahrádce, a kosmická elektrárna by se mu tam strefovala s jeho přídělem energie. Případné energetické přebytky by pak šťastné lidstvo mohlo vynaložit na boj s globálním oteplováním, ke kterému by nepatrné ztráty energetického svazku v atmosféře vydatně přispívaly.

(Převzato s laskavým svolením časopisu XB‑1, měsíčníku sci‑fi, fatasy a hororu.)

Web: www.casopisxb1.cz