Sci-finek hangzik, de hamarosan valósággá válhat: Napenergia az űrből, amelyet mikrohullámok segítségével továbbítanak a Földre. Körülbelül egy évvel ezelőtt az USA-ban sikerült ezt először megvalósítani. Japán 2024 áprilisában mutatta be terveit; az ország már 2025-ben áramot akar gyűjteni az űrből.

A szénből, olajból vagy gázból származó energia piszkos és csak belátható időn belül áll rendelkezésre, az atomenergia túl veszélyes – így a nap- és szélenergia marad a jövő energiaforrása. De miért ne csapolhatnánk meg a napenergiát ott, ahonnan származik – az űrben? Sokkal nagyobb lenne a hozam. Számos ország dolgozik jelenleg azon az álmon, hogy a napenergiát az űrben gyűjtsék össze, majd mikrohullámokon keresztül továbbítsák a Földre. Ez elegánsan megkerülné azt a problémát, hogy a Nap csak nappal süt, míg az űrben éjjel-nappal rendelkezésre áll.

Nagy-Britannia, az EU, az USA, Japán, Ausztrália és Dél-Korea – mindannyian szeretnének hozzáférni az áhított napfényhez, amely végtelen mennyiségben áll rendelkezésre az űrben, és amelyet éjjel-nappal le lehet „szüretelni”. A Kaliforniai Technológiai Intézet (CalTech) 2023. január 3-án egy kis űrszondát küldött Föld körüli pályára, hogy megvizsgálja, a gyakorlatban is megvalósítható-e és zökkenőmentesen működik-e a tervezett áramtermelő módszer. Korábban már több földi tesztet is sikeresen elvégeztek. Többek között sikerült több kilométeres távolságon keresztül vezeték nélkül továbbítani az áramot.

2023 márciusában a Föld körüli pályára állított űrbeli napenergia-rendszer prototípusa először mutatta be, hogy képes vezeték nélküli energiaátvitelre az űrben. Így bizonyíthatóan sikerült energiát átvinni az űrből a Földre. „Az eddig elvégzett kísérletek révén megerősítést kaptunk arról, hogy a MAPLE sikeresen képes energiát továbbítani az űrben lévő vevőkészülékekre” – mondta Ali Hajimiri, a CalTech villamos- és orvostechnika professzora. „Képesek voltunk arra is, hogy az energiát a Földre irányítsuk, amit itt a Caltech-en fogadtunk. Természetesen a Földön már korábban is teszteltük, de most már tudjuk, hogy túléli az űrutazást, és működőképes.”

A pályára állított lapkák egyenként 10×10 centiméteresek, és súlyuk kevesebb, mint három gramm. Az űrben 60 x 60 méteres modulokká állíthatók össze, a kibontásuk automatikusan történik. A modulokból végül kilenc négyzetkilométeres napenergia-mezők lesznek. Egyelőre nem világos, hogy a hatalmas naperőműveket hogyan fogják a Nap felé orientálni. Ha az erőműveket magasabb pályára állítják, kevesebb modulra lesz szükség, alacsonyabb pályán viszont több modulra. Az első esetben 39 rakétaindításra lenne szükség, a második esetben 13 indítás elegendő lenne. Ez is gazdasági hatékonyság kérdése, mivel a hordozórakéta minden egyes indítása további magas költségekkel jár.

Az Európai Űrügynökség (ESA) is szeretne napenergiához jutni az űrből, és ezt javasolja a tagállamoknak a Solaris projekt keretében. Két megvalósíthatósági tanulmány segít meggyőzni a tagokat, hogy fektessenek be az űrből származó napenergiába. Az áram kitermelése drága lehet, de a tanulmány első megállapításai szerint mindenképpen megvalósítható. Az EU 2025-ben dönt arról, hogy megvalósul-e egy ilyen projekt.

A Frazer-Nash tanácsadó cég számításai szerint 2050-től évente 800 terawattóra tiszta energiát lehetne előállítani az űrből. Az elemzés azt is felvázolja, hogy az űrből származó napenergia kiszoríthatná a fosszilis tüzelőanyagokat és bizonyos esetekben az atomenergiát az európai energiamixből. A több, mint 400 milliárd eurós költséget mintegy 600 milliárd eurós bevétel ellensúlyozná.

A Roland Berger által készített megvalósíthatósági tanulmány szerint a döntéshozók még mindig szkeptikusak ezzel a projekttel kapcsolatban. Különösen a magas kezdeti költségeket látják kritikusan, kiváltképp az építkezés kockázatossága miatt, ráadásul legkorábban 2035-ben kezdődhet el a megvalósítás. Az egyik probléma: ahhoz, hogy a kívánt mennyiségű áramot a földre lehessen juttatni, egyenként 70 négyzetkilométeres földi állomásokra lenne szükség. A szakértők szerint ezt a területet két célra, például mezőgazdaságra lehetne használni.

A másik probléma a megvalósítással: az ESA-nak, az Európai Űrügynökségnek még nincsenek teljesen újrafelhasználható rakétái – ellentétben az USA-val, ahol a SpaceX-nek van Starshipje. A Solaris-rendszerek űrbe juttatásához azonban ilyen nagyméretű, újrafelhasználható rakétára lenne szükség. Ezek pedig hatalmasak lennének. A tervezett napelemes rendszerek várhatóan egy-két gigawattnyi áramot termelnek majd, ami egy atomerőmű teljesítményének felel meg. Ehhez 15 négyzetkilométernyi területet lefedő napelemekre lenne szükség, ami nagyjából 200 futballpálya méretének felel meg. Összességében a Stellaris létesítményei sokkal nagyobbak lennének, mint a Nemzetközi Űrállomás (ISS).

A brit kormány 2022 elején jelentette be, hogy mintegy 15 milliárd fontot, azaz nagyságrendileg 19 milliárd eurót kíván befektetni egy napelemes űrállomásba. Összesen több, mint 50 brit technológiai vállalat csatlakozott a brit űrenergia-kezdeményezéshez, köztük olyan nehézsúlyú cégek, mint az Airbus repülőgépipari konszern, a Cambridge-i Egyetem és a műholdakat gyártó SSTL. A kezdeményezés alaptézise, hogy 2050-re az Egyesült Királyságnak nem kell többé üvegházhatású gázokat termelnie azáltal, hogy áramot sugároznak az űrbe. Az ESA-hoz hasonlóan a brit kezdeményezés is a Frazer Nash tanácsadó cég átfogó tanulmányán alapul. „A tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy ez technikailag megvalósítható, és nem igényel semmilyen úttörő fizikai törvényszerűséget, új anyagokat vagy alkatrész-technológiát” – mondja Martin Soltau, a kezdeményezés elnöke. A britek a következő 12 évben mindent meg akarnak tenni annak érdekében, hogy már 2035-ben egy gigawattnyi energia jusson el a Földre az űrből.

Ennek érdekében jelenleg egy CASSIOPeiA nevű moduláris koncepciót kutatnak, amely a Constant Aperture, Solid-State, Integrated, Orbital Phased Array (állandó apertúrájú, szilárdtest, integrált, orbitális fázisú antennarendszer) rövidítése. Ezt a brit International Electric Company mérnöki cég fejlesztette ki. Az orbitális erőmű moduláris jellege lehetővé teszi, hogy a demonstrációs fázis után bővíteni lehessen. Azonban még a demonstrátor is hatalmas lenne, több kilométer átmérőjű, és 300 startot igényelne egy SpaceX Starship méretű rakétával, hogy pályára álljon – mondta Soltau. A műhold 36 000 km (22 000 mérföld) magasságban keringene bolygónk felett, és folyamatosan szemmel tartaná a Napot és a Földet. „A műhold fő funkciói a napenergia összegyűjtése nagy, könnyű tükrökön keresztül, és az optika koncentrálása fotovoltaikus cellákra, ahogyan mi is tesszük a Földön” – mondta Soltau. „Ezek egyenáramot termelnek, amelyet aztán szilárdtest nagyfrekvenciás teljesítményerősítőkön keresztül mikrohullámokká alakítanak, és koherens mikrohullámú sugárban továbbítanak a Földre.”

A kínai Omega űrprojekt szintén a napenergia űrből történő táplálásán dolgozik. Az első földi tesztek sikeresek voltak. A Xidian Egyetemen például egy körülbelül 75 méter magas acéltornyot építettek, amely nagyfrekvenciás mikrohullámú sugarak segítségével csapolja le a műholdak energiáját. A technológia azonban még nem teljesen kiforrott; például még nem tudni, hogy egy ilyen nagyfrekvenciás energiasugár milyen hatással lesz a kommunikációra vagy a légi közlekedésre. Mindazonáltal a kínai kutatócsoportnak sikerült vezeték nélkül, mikrohullámok formájában áramot továbbítani mintegy 55 méteres távolságra. Ez nem sok ahhoz a több, mint 30 000 kilométeres távolsághoz képest, amelyet a rendszernek később a gyakorlatban meg kell majd tennie. Ennek ellenére a kínaiak optimisták, hiszen három évvel a tervezett határidő előtt járnak. Az amerikai rendszerrel szemben a kínai rendszer állítólag három előnnyel rendelkezik: kevesebb vezérlési nehézség, kisebb hőleadási nyomás és 24 százalékkal nagyobb teljesítmény-tömeg arány. A kínaiak 2028-ra tervezik saját működő modelljük bemutatását.

A japán lakosság legkésőbb a 2011-es fukushimai nukleáris katasztrófa óta nagyon szkeptikusan tekint az atomenergiára. A világűrből származó napenergiát alternatívának tekintik, és már a katasztrófa előtt is történtek kezdeti erőfeszítések e tekintetben. A japán parlament 2009-ben fehér könyvet fogadott el, amely az űrből származó napenergia fejlesztésére vonatkozó, kezdetben tíz évre szóló programot fogalmazott meg. A fehér könyv 2020-as kiadásában ez a program még mindig érvényben van.

2014-ben Susuma Sasaki asztrofizikus, a JAXA japán űrügynökség Űr- és Űrhajózástudományi Intézetének munkatársa bemutatta, hogyan lehetne a 2030-as években megvalósítani egy 1 gigawatt teljesítményű kereskedelmi célú orbitális erőművet. Az erőmű több mint tízezer tonnát nyomna, és több kilométeres lenne a mérete. A kutatók azt javasolják, hogy két rácsszerkezetet használjanak tükrökkel, amelyek a napfényt a nap bármely szakában befogják. A japánok az úttörők közé tartoznak, amikor az energia mikrohullámok segítségével történő továbbításáról van szó. A Mitsubishi Heavy Industries 2015-ben bemutatta, hogy tíz kilowatt teljesítményt tudtak továbbítani egy 500 méterre lévő vevőegységhez.

A japánok 2024 áprilisában egy londoni konferencián mutatták be az Ohisama (japánul nap) projektet. A terv szerint egy kis naperőmű az űrben már 2025-ben áramot küldene a Földre. Koichi Ijichi, a Japan Space Systems kutatóintézet tanácsadója az űrből származó energiáról szóló konferencián ismertette a küldetés néhány részletét. Ijichi szerint egy körülbelül 180 kilogramm súlyú kis műhold 400 kilométeres magasságban mintegy 1 kilogramm energiát fog továbbítani. Bár a tervezett demonstráció nem érné el a kereskedelmi hasznosításhoz szükséges méretet, mégis előrelépést jelentene. Egy kilowattos teljesítményével például egy háztartási kisgép, például egy mosogatógép méretétől függően körülbelül egy órán át működtethető. A műholdat egy két négyzetméteres napelemmel szerelték fel az akkumulátor töltésére. Az akkumulátorban tárolt energiát azután mikrohullámokká alakítják, és egy földi antennára küldik. Mivel a műholdak óránként mintegy 28 000 kilométeres sebességgel haladnak, az antennákat 40 kilométeres távolságban kell elhelyezni a Földön. Az egyes antennák távolsága viszont öt kilométer, hogy elegendő energiát tudjanak továbbítani.

A kutatók már az 1970-es évek óta álmodoznak arról, hogy az űrben összegyűjtsék a napenergiát, és azt a Földre juttassák. Ez különösen annak köszönhető, hogy a beérkező napsugárzás több mint fele a Föld légkörén keresztül haladva elvész, olyan hatások miatt, mint a visszaverődés és az elnyelés. Ez a probléma elkerülhető az űrbe telepített napenergia-rendszerekkel. A rendszerek a légkörön kívüli napfényt mikrohullámokká alakítanák, és a Föld felé sugároznák. Így elkerülhetőek lennének a veszteségek, és a Földön a nappal és az éjszaka váltakozása miatt – a Föld forgása miatt – fellépő leállások is. A legnagyobb problémát a hatalmas naperőművek űrbe szállítása jelenti. A mai hordozórakéták egyike sem üzemeltethető gazdaságosan. A fizikai szakértelem rendelkezésre áll, a szükséges anyagok már léteznek, és robotok is rendelkezésre állnak, amelyek az űrben össze tudnák szerelni a rendszereket. A napenergia nagy távolságokra történő átvitele azonban még számos technikai akadályt rejt magában, például a napszél vagy a gravitáció hatása nem egyértelmű. Röviden: mennyire befolyásolják ezek a tényezők a vezeték nélküli energiaátvitel hatékonyságát és pontosságát?

Kép: ESA

Forrás:

https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/raumfahrt/solarstrom-aus-dem-all-loesung-fuer-unsere-energieprobleme/