Będziemy odbierać energię elektryczną prosto z orbity. Tak działają transmisje mikrofalowe
Dla nikogo nie jest tajemnicą, że energia słoneczna jest jednym z najlepszych tzw. źródeł odnawialnych energii elektrycznej. Obok energii wodnej i wiatrowej jest najszybciej rozwijającym się sektorem zielonej energii i już dziś stanowi 3,6 proc. w światowej produkcji prądu.
Z pozyskiwaniem prądu z energii słonecznej wiąże się jeden problem: jest ono nieefektywne gdy do paneli słonecznych nie dociera wystarczająca ilość światła. Jak temu zaradzić? Można albo budować farmy słoneczne na terenach gdzie zachmurzenie występuje jak najrzadziej. Wtedy jednak znacząco mogą wzrosnąć koszty przesyłu prądu, bowiem miejsca o największym nasłonecznieniu na Ziemi nie są jednocześnie tymi, gdzie zapotrzebowanie na energię jest największe.
Czytaj także:
- Oto 4 typy baterii przyszłości, które będą zasilać nasze urządzenia
- Fabryka w kosmosie stworzyła pierwsze leki. Dlaczego to takie ważne?
- Powiewająca flaga i brak gwiazd. Oto skąd wiemy, że NASA nie sfałszowała lądowania na Księżycu
W kosmosie zawsze świeci Słońce
Można też zrobić to, co naukowcy z Space Solar Power Project (SSPP) w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym w Pasadenie w USA, czyli opracować metodę na gromadzenie energii pochodzącej ze Słońca i przesyłania jej na Ziemię tam, gdzie nie ma chmur - w kosmosie.
Nowo opracowana technologia bezprzewodowego przesyłu energii z orbity jest określana mianem MAPLE (od ang. Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment). To platforma, która wykorzystuje nadajniki mikrofalowe umieszczone na niskiej orbicie okołoziemskiej. Całość została skonstruowana przy użyciu powszechnie znanych i przystępnych cenowo technologii wykorzystujących krzem do pobierania energii słonecznej i przesyłania jej do konkretnych stacji odbiorczych na świecie.
Lekkość i niewysoki koszt są, jak w przypadku każdego przedsięwzięcia związanego z kosmosem, kluczowe.
Aby cały projekt mógł w przyszłości zdobyć odpowiednio wielu odbiorców, jego satelity powinny mieć jak najmniejszą wagę, co pozwala na maksymalne obniżenie kosztów wystrzelenia ich w kosmos. Jednocześnie muszą być skonstruowane w taki sposób, by bez utraty swoich właściwości, mieściły się w komorze ładunkowej na szczycie rakiety kosmicznej.
Jak wyjaśnia jeden z głównych członków zespołu badawczego odpowiedzialnego za nową technologię, profesor Harry Atwater:
Waga i rozmiary w normie
Demonstracja bezprzewodowego transferu energii w przestrzeni kosmicznej przy użyciu lekkich struktur jest ważnym krokiem w kierunku kosmicznej energii słonecznej i szerokiego dostępu do niej na całym świecie. Panele słoneczne są już wykorzystywane w kosmosie, na przykład do zasilania Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, ale aby uruchomić i wdrożyć wystarczająco duże tablice, aby zapewnić moc na Ziemi, SSPP musi zaprojektować i stworzyć systemy transferu energii słonecznej, które są ultralekkie, tanie i elastyczne.
Każda jednostka SSPP waży około 50 kilogramów, co jest dobrym wynikiem i sytuuje satelity programu w środku stawki, jeśli chodzi o typowe mikrosatelity, z których te najcięższe nei przekraczają z reguły wagi 100 kg. Wielkość każdego satelity pozwala na upakowanie go w objętości około 1 metra sześciennego. Po osiągnięciu orbity całość zostaje rozwinięta i osiąga rozmiary ok. 50 m.
Inną cechą technologii MAPLE jest specjalne uszczelnienie wszystkich części składowych satelitów, muszą one bowiem być odporne na ekstremalne wahania temperatury. Z jednej strony muszą być zdolne do niezakłóconej pracy w promieniach słońca, z drugiej nie mogą ulec uszkodzeniu gdy w krótkim czasie znajdą się po „nocnej” stronie Ziemi w zimnej ciemności kosmosu.
Aktualnie, zespół naukowców z Caltech zajmuje się ewaluacją poszczególnych elementów systemu, po powrocie z kosmosu. Po około sześciu miesiącach badacze mają nadzieję wykryć wszelkie usterki i zastosować zdobytą w ten sposób wiedzę do budowy kolejnej generacji satelitów.
Demonstracyjny satelita nie posiada żadnych ruchomych części i funkcjonuje w oparciu o zjawisko na konstruktywnej i destrukcyjnej interferencji między antenami transmisyjnymi, co służy zmianie ogniska i kierunku wysyłanej energii. Interferencja konstruktywna to inaczej wzmocnienie fali, do którego dochodzi gdy dwie, nakładające się na siebie fale są „zgodne w fazie”. Interferencja destrukcyjna z kolei, polega na wygaszeniu fali. Zachodzi ona, gdy dwie nakładające się na siebie fale są „przeciwne w fazie” i w uproszczeniu, znoszą się nawzajem.
Anteny satelity programu SSPP są umieszczone w dwóch skupiskach, po 16 w każdym. Działanie całego systemu na orbicie wymaga bardzo precyzyjnego skalibrowania, tak by zgromadzona energia dotarła do wyznaczonego celu precyzyjnie i w dokładnie oznaczonym czasie.
W eksperymencie wytworzony w kosmosie prąd stały został użyty do zasilenia pary świateł LED, co miało zademonstrować cały proces bezprzewodowej transmisji energii. Technologia MAPLE z powodzeniem doprowadziła do zapalenia każdej diody LED, co przypieczętowało sukces całej próby. Oprócz tego satelita programu SSPP wyemitował wiązkę energii, która po dotarciu na Ziemię została wykryta przez odbiornik obsługiwany przez zespół naukowców Caltech. Emisja energii została odebrana dokładnie w oczekiwanym czasie i częstotliwości i charakteryzowała się założonym „przesunięciem” będącym skutkiem poruszania się pojazdu po orbicie.
Jak podsumował profesor inżynierii elektrycznej, a także inżynierii medycznej i jeden z dyrektorów całego programu SSPP, Ali Hajimiri:
Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nikt nigdy nie zademonstrował bezprzewodowego transferu energii w kosmosie, nawet przy użyciu drogich sztywnych struktur. My robimy to za pomocą elastycznych, lekkich struktur i naszych własnych układów scalonych. To pierwszy taki przypadek.
