Chcą czerpać prąd z kosmosu. Udowodnili, że jest to możliwe

Celem eksperymentów jest dostarczenie odpowiedzi na pytanie, czy efektywne wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej na Ziemię jest możliwe w przestrzeni kosmicznej. Za misję odpowiedzialni byli naukowcy z kalifornijskiej uczelni technologicznej Caltech. Według nich, wszystkie trzy testy, które miały być przeprowadzone przez satelitę SSPD-1, zakończyły się powodzeniem.

Badacze twierdzą, że projekt "pomoże nakreślić przyszłość kosmicznej energii słonecznej". Pomimo sukcesu rocznej misji satelity, trzeba pamiętać, że moment, w którym ludzkość będzie mogła korzystać z energii elektrycznej wytworzonej na orbicie, wciąż jest odległy o dekady. Jednak nawet taki horyzont czasowy jest niepewny, ponieważ z nową technologią wiążą się ogromne koszty. Nie jest także przesądzone, czy w ogóle znajdą się wola i środki, aby finansować tego rodzaju przedsięwzięcia.

Naukowcy się tym nie zniechęcają, ponieważ każdy skomplikowany projekt musi mieć swój początek. Poza tym, nawet jeśli wytwarzanie prądu na orbicie w celu zaspokojenia codziennych potrzeb na Ziemi nigdy nie stanie się powszechne, badania nad tym zagadnieniem i tak mogą przyczynić się do postępu naukowego.

Satelita SSPD-1 został wyniesiony w kosmos na początku stycznia 2023 r. na pokładzie rakiety Falcon 9 firmy Space X. Jego misja zakładała przeprowadzenie trzech eksperymentów. Pierwszym z nich był DOLCE (Deployable on-Orbit UltraLight Composite Experiment), który badał trwałość i wydajność lekkich, składanych paneli słonecznych inspirowanych japońską sztuką składania papieru origami.

Drugi eksperyment o kryptonimie ALBA (co oznacza świt po włosku) zakładał sprawdzenie działania 32 różnych typów ogniw fotowoltaicznych pod kątem ich funkcjonowania w kosmosie. Trzecim eksperymentem był MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment), w ramach którego testowano nadajniki mikrofalowe przeznaczone do przesyłania energii słonecznej zebranej na orbicie na Ziemię.

Więcej o najnowszych technologiach kosmicznych przeczytasz na Spider's Web:

Eksperyment DOLCE początkowo przysporzył badaczom wielu problemów. Pierwotnie planowano jego wdrożenie w ciągu trzech do czterech dni. Jednak na skutek dość prozaicznych kwestii, takich jak zaplątane okablowanie i blokada niektórych elementów mechanicznych, jego uruchomienie zostało opóźnione. Ostatecznie, dzięki podglądowi z kamery pokładowej i możliwości sprawdzenia pewnych rozwiązań na pełnowymiarowym modelu w laboratorium, problemy zostały usunięte. Finalnie test DOLCE wykazał sensowność podstawowej koncepcji, jaką jest użycie nowatorskich paneli rozkładanych na orbicie.

Eksperyment ALBA wykazał, że ogniwa słoneczne oparte na perowskicie zdecydowanie wydajniej pracują na Ziemi niż w przestrzeni kosmicznej. Perowskit to minerał zbudowany z tytanianu wapnia. Perowskitowe ogniwa słoneczne działają dzięki związkom posiadającym strukturę perowskitu. Zwykle są to materiały hybrydowe, łączące w sobie cechy substancji organicznych i nieorganicznych, takie jak halogenek ołowiu lub cyna. To właśnie one stanowią aktywną warstwę pochłaniającą światło w panelach słonecznych.

Drugim wnioskiem płynącym z eksperymentu ALBA jest to, że do pracy w kosmosie znacznie lepiej nadają się ogniwa zawierające arsenek galu. Przez cały okres prób działały bez zarzutów. Co więcej, nie wymagały pokrycia kosztownymi warstwami krystalicznymi w celach ochronnych. To bardzo dobra wiadomość, gdyż takie warstwy przyczyniają się do ogromnych kosztów produkcji paneli słonecznych. Dzisiejsze ogniwa słoneczne stosowane w satelitach i innych statkach kosmicznych są nawet 100 razy droższe w produkcji niż ich ziemskie odpowiedniki.

Trzeci eksperyment, MAPLE, udowodnił, że możliwe jest wytwarzanie energii słonecznej na orbicie i przesyłanie jej na Ziemię za pomocą wiązki mikrofalowej. Test nie zakończył się pełnym powodzeniem z powodu spadku przepustowości transmisji energii. Jak ustalili naukowcy winne były temu coraz intensywniejsze testy przesyłu energii. Doprowadziły do tego "złożone interakcje elektryczno-termiczne" oraz zużycie poszczególnych elementów matrycy.

Misja SSPD-1 była dopiero pierwszym tak kompleksowym testem technologii wytwarzania i przesyłania prądu z kosmosu na Ziemię. Mimo ogólnego sukcesu, naukowcy przyznają, że miną jeszcze lata, zanim ludzkość będzie mogła korzystać z produkowanej w kosmosie taniej i niezawodnej energii elektrycznej. Istnieją dwa główne wyzwania, które będą musiały zostać przezwyciężone, by tak się stało.

Pierwszym są koszty. Prąd wytworzony z energii słonecznej zgromadzonej na orbicie okołoziemskiej kosztuje obecnie około 1-2 dol. amerykańskie za jedną kilowatogodzinę (kWh). W porównaniu, 1 kWh energii w USA kosztuje jedynie ok. 0,17 dol. Aby całe przedsięwzięcie stało się opłacalne, ceny materiałów do budowy satelitów będą musiały znacząco spaść, jednocześnie zachowując ich jakość i wytrzymałość.

Drugie wyzwanie, które stoi przed naukowcami, to przepustowość mikrofalowych łączy. Ilość energii przesyłanej przez satelitę SSPD-1 za pomocą wiązki mikrofalowej na Ziemię była znikoma. Aby zaspokoić zapotrzebowanie energetyczne ludzkości, panele słoneczne konieczne do produkcji prądu będą musiały mieć rozmiary kilkuset, a nawet kilku tysięcy metrów. Dla porównania, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna ma niecałe 120 m długości. Oprócz tego, z przesyłem energii na Ziemię za pomocą silnych wiązek mikrofalowych wiążą się kwestie bezpieczeństwa.