W przestrzeni kosmicznej panele fotowoltaiczne działają w warunkach, które – na pierwszy rzut oka – wydają się bardziej sprzyjające niż na Ziemi: brak atmosfery, brak chmur, pełne nasłonecznienie przez większą część czasu, brak zacienienia lokalnego. To prowadzi do naturalnej konkluzji, że fotowoltaika w kosmosie mogłaby osiągać wyższą sprawność w przekształcaniu promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Właśnie ta perspektywa przyciąga uwagę naukowców i inżynierów, dla których wyzwaniem staje się nie tyle pomysł jako taki, ale jego praktyczna realizacja i opłacalność ekonomiczna.
Przeczytaj także:
- Jaka jest rola blockchain w energii odnawialnej?
- Jak nanotechnologia wpływa na rozwój paneli fotowoltaicznych?
- Internet rzeczy w fotowoltaice i jego wpływ na rozwój systemów fotowoltaicznych
Fotowoltaika w kosmosie – czy takie rozwiązanie jest już stosowane?
Fotowoltaika w kosmosie nie jest ideą czysto futurystyczną. Od dawna stanowi podstawowe źródło energii dla satelitów, sond i stacji kosmicznych. Ogniwa słoneczne zasilają aparaturę badawczą, systemy podtrzymywania życia i napęd pomocniczy w jednostkach znajdujących się poza atmosferą ziemską. Już pierwsze satelity w latach 50. i 60. XX wieku korzystały z niewielkich paneli, a dziś Międzynarodowa Stacja Kosmiczna posiada rozległe skrzydła fotowoltaiczne zapewniające jej funkcjonowanie.
Na tym jednak rola fotowoltaiki się nie kończy. W ostatnich latach coraz częściej mówi się o eksperymentach z bezprzewodowym przesyłem energii i o planach budowy demonstracyjnych systemów fotowoltaicznych w przestrzeni kosmicznej. Na orbicie testowane są lekkie, składane panele, a w ramach projektów badawczych przeprowadza się próby przesyłu energii w formie mikrofal czy laserów. Choć na razie mają one skalę laboratoryjną, stanowią podstawę do tworzenia większych instalacji.
Jak powstaje energia elektryczna w kosmosie?
Proces wytwarzania energii elektrycznej w kosmosie jest podobny do tego, który znamy z Ziemi. Promieniowanie słoneczne pada na powierzchnię ogniwa fotowoltaicznego, a energia fotonów zostaje zamieniona na energię elektryczną. Różnica polega na warunkach pracy i materiałach wykorzystywanych w przestrzeni kosmicznej.
Standardowe panele krzemowe stosowane na Ziemi nie sprawdziłyby się w trudnym środowisku kosmicznym. Dlatego wykorzystuje się specjalistyczne ogniwa wielozłączowe, często wykonane z arsenku galu lub innych związków półprzewodnikowych z grup III–V. Takie rozwiązania pozwalają osiągać sprawności znacznie wyższe niż klasyczne moduły, często przekraczające 30 procent w warunkach operacyjnych.
Istotnym czynnikiem jest także brak atmosfery. Na Ziemi promieniowanie słoneczne ulega osłabieniu przez absorpcję i rozpraszanie w powietrzu, a dodatkowo na wydajność wpływają zmienne warunki pogodowe. W kosmosie panele wystawione na promieniowanie słoneczne mogą pracować niemal nieprzerwanie, o ile ich orbita pozwala unikać częstych wejść w cień planety. Stała intensywność światła zwiększa ilość energii, jaką można wyprodukować z tej samej powierzchni ogniw.
Trzeba jednak pamiętać, że kosmos to także wyzwania. Promieniowanie kosmiczne uszkadza struktury krystaliczne materiałów, prowadząc do ich stopniowej degradacji. Brak atmosfery oznacza również brak naturalnego chłodzenia, przez co ogniwa muszą być wyposażone w systemy odprowadzania ciepła. Projektowanie paneli kosmicznych polega więc na poszukiwaniu równowagi między wysoką sprawnością a długotrwałą odpornością na ekstremalne warunki.
Czy możliwy jest bezprzewodowy transfer energii elektrycznej z kosmosu na Ziemię?
Sam fakt produkcji energii w kosmosie nie wystarczy. Największym wyzwaniem jest sprowadzenie jej na powierzchnię Ziemi w sposób efektywny i bezpieczny. Idea bezprzewodowego transferu energii elektrycznej jest badana od kilkudziesięciu lat. Kluczowe znaczenie mają tu dwie technologie: przesył mikrofalowy oraz laserowy.
W przypadku mikrofal energia wytworzona w satelicie przekształcana jest w fale elektromagnetyczne, które kierowane są w stronę Ziemi. Na powierzchni odbiera je specjalna antena prostownicza, zwana rectenną, która zamienia fale na prąd stały. Rozwiązanie to jest stosunkowo odporne na warunki atmosferyczne, ale wymaga ogromnych instalacji odbiorczych i bardzo precyzyjnego sterowania wiązką, aby uniknąć strat i zapewnić bezpieczeństwo.
Alternatywą są lasery o dużej mocy, które potrafią przesyłać energię w postaci wąskiej wiązki światła. Ta technologia charakteryzuje się wysoką precyzją, ale jest wrażliwa na pochłanianie i rozpraszanie w atmosferze. Warunki pogodowe, takie jak chmury czy deszcz, mogą znacząco ograniczyć jej skuteczność.
Pierwsze eksperymenty w tym zakresie już się odbyły. Wykazano możliwość przesyłu energii pomiędzy elementami znajdującymi się w przestrzeni kosmicznej, a także przesyłu laserowego na większe odległości w warunkach naziemnych. Nadal jednak pozostaje wiele do zrobienia, zanim możliwa stanie się transmisja z pełnowymiarowej farmy orbitalnej na Ziemię.
Czy ktoś zbudował już farmę słoneczną w kosmosie albo planuje to zrobić?
Na razie nie istnieje pełnoskalowa farma słoneczna w kosmosie. Istnieją jednak projekty badawcze i plany, które mogą do tego doprowadzić. Europejska Agencja Kosmiczna prowadzi program rozwojowy, którego celem jest opracowanie koncepcji dużych elektrowni orbitalnych. Zakłada on budowę modułów o rozmiarach liczonych w setkach metrów, zdolnych do generowania energii i przesyłania jej na powierzchnię Ziemi.
Również w Japonii planowane są misje demonstracyjne, które mają sprawdzić możliwość przekazywania kilowatów mocy z orbity niskiej. Chiny zapowiedziały zamiar budowy własnych systemów tego typu, a w sektorze prywatnym pojawiają się startupy pracujące nad technologiami przesyłu energii z kosmosu.
Trzeba jednak podkreślić, że wszystkie te projekty są we wczesnej fazie rozwoju. Skala kosztów, złożoność techniczna i konieczność rozwiązania problemów bezpieczeństwa sprawiają, że droga do pierwszej prawdziwej farmy słonecznej w kosmosie jest jeszcze długa.
Czy instalacja fotowoltaiczna w kosmosie może mieć większą sprawność, niż systemy na Ziemi?
Teoretycznie tak. Ogniwa wykorzystywane w kosmosie mogą pracować w warunkach idealnych pod względem nasłonecznienia i intensywności promieniowania. Brak atmosfery sprawia, że dociera do nich więcej energii niż do paneli naziemnych. Dodatkowo stosowane materiały są bardziej zaawansowane niż typowe krzemowe moduły na Ziemi.
Jednak rzeczywista sprawność systemu nie zależy wyłącznie od samych ogniw. Liczą się również wszystkie straty w procesie: degradacja ogniw w trakcie eksploatacji, problemy z odprowadzaniem ciepła, straty związane z konwersją energii na fale elektromagnetyczne i ich późniejszym odbiorem, a także sprawność samej infrastruktury naziemnej.
Dlatego choć kosmiczna fotowoltaika w idealnych warunkach oferuje wyższą sprawność, jej końcowa efektywność po uwzględnieniu wszystkich etapów może nie być tak jednoznacznie korzystna. Przewaga ujawni się dopiero wtedy, gdy systemy przesyłu i magazynowania energii zostaną dopracowane, a koszty związane z wynoszeniem konstrukcji na orbitę ulegną znacznemu obniżeniu.
FAQ
Jakie są największe bariery technologiczne we wdrożeniu kosmicznej fotowoltaiki na dużą skalę?
Główne przeszkody to ogromne koszty wynoszenia masy konstrukcji na orbitę, konieczność opracowania ultralekkich i odpornych materiałów, degradacja ogniw pod wpływem promieniowania, problemy z odprowadzaniem ciepła oraz bezpieczeństwo przesyłu energii.
Ile kosztowałaby energia pozyskiwana z kosmosu?
Obecnie szacuje się, że koszt kilowatogodziny byłby wielokrotnie wyższy niż w przypadku źródeł naziemnych. Jednak spadek cen transportu kosmicznego oraz rozwój technologii mogą w przyszłości zmniejszyć te różnice.
Czy emisje związane z wynoszeniem satelitów nie zniweczą efektu ekologicznego?
To zależy od skali systemu i jego trwałości. Jeśli konstrukcje orbitalne działałyby przez dekady i produkowały ogromne ilości energii, zrównoważyłoby to emisje związane z ich budową i wyniesieniem.
Jak zapewnić bezpieczeństwo przesyłu energii z kosmosu?
Wymaga to precyzyjnego sterowania wiązką i specjalnych instalacji odbiorczych. Zakłada się, że systemy będą projektowane tak, aby w strefach poza główną wiązką poziom promieniowania był całkowicie bezpieczny dla ludzi i zwierząt.
Kiedy można spodziewać się pierwszych komercyjnych instalacji?
Projekty demonstracyjne mogą pojawić się już w latach 20. i 30. XXI wieku. Jednak duże, ekonomicznie opłacalne instalacje orbitalne to perspektywa drugiej połowy tego stulecia.
Czy kosmiczna fotowoltaika może znaleźć zastosowanie poza Ziemią?
Tak. Rozważa się jej użycie na Księżycu i Marsie, gdzie mogłaby zasilać bazy załogowe i instalacje przemysłowe. W takich miejscach kosmiczne źródła energii mogą być bardziej praktyczne niż lokalne systemy.
Jak długo mogłyby działać instalacje orbitalne?
O: Docelowo zakłada się, że mogłyby funkcjonować przez 20–30 lat, jednak wiele zależy od odporności ogniw na promieniowanie i możliwości serwisowania takich konstrukcji.
