Energie z oblohy: Blíží se konečně doba vesmírných elektráren?

Z hlediska lidských potřeb tvoří Slunce nevyčerpatelný zdroj. Každou hodinu dodá naší planetě energii, kterou celá globální populace potřebuje na jeden rok fungování. Exaktně vyjádřeno, infračervené, viditelné a ultra­fialové záření představuje na úrovni Země úctyhodných 1 355 W/m². Jenže 30 % z toho atmosféra odrazí zpět do prostoru a dalších 17 % pohltí cestou k zemskému povrchu. Polovina tak „zmizí“ dřív, než se dostane až k nám. Navíc sluneční záření nedopadá kolmo, takže u rovníku má energii 700 W/m², kdežto ve střední Evropě asi jen 150 W/m². Pokud se ovšem vyplatí pozemní sluneční elektrárny, pak by jejich kosmické protějšky mohly znamenat zlatý důl.

Klady, ale i zápory

Solární elektrárny na oběžné dráze nabízejí spoustu výhod. Neovlivňují je rozmary počasí, Slunce jim svítí pořád a jejich fotovoltaické články se nezapráší, ale nanejvýš přirozeně degradují. Stejně tak při vhodně zvolené oběžné dráze nemusejí brát ohled na střídání dne a noci, tudíž fungují v režimu 24/7, a navíc prakticky bezúdržbově. Proud energie z vesmíru je kromě toho trvalý a předvídatelný, takže se lze vyhnout různým propadům a špičkám jako u „obnovitelných“ zdrojů – například při slabém či naopak silném větru v případě větrných elektráren.

Existují ovšem i dvě zásadní nevýhody, z nichž první představuje doprava vyrobené energie z oběžné dráhy na Zemi. Pomocí drátů to při nejlepší vůli nepůjde, a bude tedy potřeba řešit přenos bezdrátový. Je prakticky jisté, že se při něm dostanou ke slovu mikrovlny, čeká nás však spousta technických „oříšků“. Bude se jednat o přesun ohromného množství energie na vzdálenost desítek tisíc kilometrů a skrz nepříliš přátelské prostředí atmosféry. 

Druhá výzva pak spočívá v ceně za vynesení samotné elektrárny. Modelové zařízení o výkonu 2 GW, srovnatelné se dvěma reaktory Temelína, by vážilo 6 000 až 8 000 tun, což odpovídá 12–16násobku ISS. Stanice však krouží ve výšce 400 km, zatímco elektrárna by se musela pohybovat na výrazně vyšší orbitě.

Vynášení nákladu na nízkou oběžnou dráhu přitom aktuálně vychází na vyšší jednotky tisíc dolarů za kilogram. Rekordní Falcon 9 společnosti SpaceX má být schopen létat za cenu hluboko pod tisíc dolarů za kilogram, přestože na komerčním trhu jde pochopitelně o větší částku. Revoluci snad přinese nově vyvíjený nosič Starship a jemu podobné, s nimiž má doprava na orbitu zlevnit pod 50 dolarů za kilogram. Gigant z Muskovy dílny by tak mohl sluneční elektrárnu vynést za stovky milionů dolarů, což se dá srovnat třeba s jedním startem raketoplánu. Další pokles by pak zajistilo využití lokálních zdrojů, například výstavba zmíněného zařízení z materiálů vytěžených na Měsíci, která ovšem zatím spadá do říše absolutní sci-fi.

Hledání správné cesty

Už v roce 1941 popsal Isaac Asimov v povídce Reason stanici, která energii ze Slunce přeposílala k dalším planetám pomocí mikrovln. Na amerického spisovatele pak – zřejmě nevědomky – navázal sovětský vědec Nikolaj Semjonov krátce po startu prvního Sputniku, když plánoval pokrýt fotovoltaickými články povrch Měsíce, odkud by se pak energie předávala na Zemi. První realistický projekt každopádně vznikl v listopadu 1968 a stál za ním americký vědec českého původu Peter Glaser.

„Otec kosmických elektráren“ poprvé doporučil použít k jejich umístění geostacionární oběžnou dráhu ve výšce 35 890 km nad rovníkem, kde doba oběhu zařízení kolem Země odpovídá jednomu otočení planety okolo vlastní osy. Pozemskému pozorovateli se tak družice na nebi jeví jako nehybná. Glaser navrhl, aby měla elektrárna nazvaná Solar Power Satellite tvar čtverce se stranou o délce 8 km. Při 18% účinnosti fotovoltaických článků by pak dokázala vyrábět 15 GW, z čehož by se třetina „ztratila“ při přeměně ze stejnosměrného proudu na mikrovlny a při jejich průchodu atmosférou.

Badatel se slunečním elektrárnám věnoval dál a v roce 1973 si nechal patentovat mikrovlnný přenos energie na velké vzdálenosti, bez nějž její výroba ve vesmíru postrádá smysl. Glaserův princip počítá na elektrárně s vyzařovací anténou o průměru jednoho kilometru a na Zemi s eliptickým přijímačem o délce až 200 km, nazývaným rekténa – z anglického „rectifying antenna“ neboli „usměrňovací anténa“. V roce 1975 pak mikrovlnný přenos otestovali v Jet Propulsion Laboratory v kalifornské Pasadeně a na vzdálenost 1,5 km se „ztratilo“ jen 15 % z vyslaného množství energie, což bylo překvapivě málo.

Žádné hranice

O tři roky později myšlenku rozpracovaly americké firmy Boeing a Grumman. Podle jejich projektu měla mít vesmírná elektrárna rozměry 23 × 5 km, hmotnost 80 000 až 100 000 tun a vyrábět 10 GW. Přes 500 astronautů by ji na geostacionární dráze sestavovalo půl roku a dalších 200 jejich kolegů by na nízké dráze zajišťovalo překládku z raketoplánů na kosmické tahače.

NASA a americké ministerstvo obrany zpracovaly v letech 1978–1981 podrobnou studii. Zahájily ji sice s vědomím, že financování podobné elektrárny je zatím prakticky nemožné, a také z technického hlediska problematické; na druhé straně však stavěly na tom, že se jedná o slibný plán, jehož čas jednou přijde. Závěr zněl optimisticky: Koncept nenaráží na žádné technické či jiné hranice, a je tedy realizovatelný. V roce 1997 doplnila NASA původní práci o aktuální vývoj a o sedm let později provedla její ekonomickou revizi. Pentagon pak projekt znovu studoval v roce 2007, a to i s ohledem na „národní bezpečnost“.

Zůstává spousta otazníků

Kolem slunečních kosmických elektráren ovšem zůstává mnoho otazníků. Pomiňme nyní otázky týkající se dopravy do vesmíru, sestavování či provozu. Pro stabilitu a orientaci bude třeba využívat iontové motory, jenže obří konstrukce si vyžádají obří zásoby paliva. A jak se potom projeví značný přírůstek těžkých částic v podobě iontů z motorů na oběžné dráze?

Největší neznámou však představuje přenos energie pomocí mikrovln. Jak jejich svazek ovlivní živé organismy či elektroniku? Rektény samozřejmě vzniknou v neobydlených oblastech, nejspíš na moři či při pobřeží, ale třeba ptákům v průletu nad nimi nikdo nezabrání. A co když se anténa sluneční elektrárny lehce odkloní od správné polohy? Odchylka o půl stupně totiž znamená, že svazek mikrovln mine cílovou oblast o stovky kilometrů…

Plánuje se, že rekténa bude desetkrát větší než anténa vysílací. Modelové příklady hovoří o elipse s rozměry 13 × 9 km, v jejímž středu dosáhne energetický proud 23 mW/cm² a při okrajích 1 mW/cm². Sluneční záření má na rovníku výkon asi 700 mW/cm², a z daného hlediska se tedy jedná o zanedbatelné hodnoty. Přesto půjde o nepřirozené mikrovlnné záření: Nezpůsobí ohřev atmosféry? Bezpochyby ano, ale jak velký? Nevytvoří „oblak tepla“, nezmění mikroklima? Nepoškodí ozonosféru, což by mělo dalekosáhlý dopad na lidské zdraví? Nenaruší se ionosféra, potažmo rádiové vysílání? A co družice? Podobně jako ptáci totiž do mikrovln čas od času vletí, byť třeba jen na zlomky sekundy.

Navíc, 60 slunečních elektráren na geostacionární dráze by osvětlovalo Zemi podobně jako Měsíc v úplňku. Prakticky by zmizela tma a s ní hvězdná obloha, jak ji známe – jistě k velké nelibosti astronomů i nemalé části lidstva. O tom, že by se dopady mikrovln dotkly také radioastronomie, asi netřeba hovořit. Mimochodem, všechny obavy jen podtrhuje zájem armád o mikrovlnné záření z vesmíru. Jeho svazky by mohly rušit rádiová spojení a vyřazovat či poškozovat elektroniku na oběžné dráze i na Zemi. Jinými slovy by se dala kosmická elektrárna snadno zneužít jako zbraň. Nejasností tak evidentně zbývá ještě celá řada.

Třetina energie z vesmíru

Evropská kosmická agentura získala předloni na podzim finance na dvě studie v rámci iniciativy SOLARIS, která by měla do roku 2025 připravit podklady pro výstavbu prakticky použitelné sluneční elektrárny na oběžné dráze. Účelem je jednak zmapovat technické, politické i programové výzvy a jednak řešit komerční stránku věci. Podle slov ESA projekt zajistí, že se „Evropa stane klíčovým partnerem – a potenciálně i lídrem – v mezinárodních závodech směřujících k čisté energii“. 

SOLARIS má podpořit plán „nulových emisí“ do roku 2050 a studie už nabídly první výstupy: Jen z evropských kosmických elektráren by se měl zisk do roku 2070 pohybovat mezi 149 a 262 mi­liardami eur. Na konci zmíněného období bude pracovat 54 zařízení s jednotkovou kapacitou 1 GW a se souhrnným přínosem 601 miliard eur (vyjádřeno mimo jiné snížením emisí), zatímco výdaje na jejich vývoj a provoz dosáhnou 418 miliard. Podle studií by měla každá z 54 elektráren stát 8,1 miliardy a dalších 7,5 miliardy by si vyžádalo její fungování po dobu 30 let. 

Uvedená čísla jsou podmíněna „výrazným technologickým pokrokem“. Pokud k němu nedojde a nastane nejhorší možný scénář, bude jedna elektrárna stát 33,4 miliardy a její provoz 31,1 miliardy. Nejistota v cenách tedy zůstává velká. Každopádně by popsaná síť mohla pokrýt třetinu spotřeby Evropské unie.

Ani další hráči nespí

ESA ovšem není jediná, kdo se snaží, aby jí v technologii kosmických elektráren neujel vlak. Například China Academy of Space Technology neboli CAST už loni v červnu oznámila, že v roce 2028 otestuje mikrovlnný přenos energie mezi družicemi navzájem a mezi družicemi a Zemí. O dva roky později chce mít na orbitě experimentální zařízení vyrábějící 1 MW energie pro pozemské potřeby a za dalších dvacet let má jít o plnohodnotnou elektrárnu produkující 2 GW.

Británie zas v rámci Space Energy Initiative alias SEI plánuje první kosmickou elektrárnu v polovině 40. let a v blíže neupřesněné době hodlá ve vesmíru vyrábět 30 % své spotřeby. US Naval Research Laboratory chystá na příští rok start demonstrační elektrárny ARACHNE, zatímco univerzita v japonském Kjúšú pracuje na projektu Energy Orbit, kdy by 1 600 menších družic posílalo energii mezi různými oběžnými dráhami. Americký satelit SSPD-1 neboli Space Solar Power Demonstrator pak loni dokázal předat z orbity na Zemi „detekovatelné“ množství energie. Doba, kdy začneme brát kosmické elektrárny vážně, tak možná vůbec není daleko.