Egy 50 éves álom: naperőművet a világűrbe!
(Rovat: Különös találmányok - 2019.02.14 07:15.)

Ötven éve, hogy berobbant a tudományos-műszaki köztudatba a világűrbe telepített, és a földi elektromos hálózatra kapcsolt naperőművek ötlete.

Az elképzelés meleg fogadtatása a szerzőt, Peter Glasert is meglepte, és végül pár évvel később szabadalmaztatta is.

A napenergiát persze a felszínen is lehet hasznosítani, ám van néhány zavaró körülmény is. Például hazánkban Szeged környékén süt legtöbbet a nap, ami 2016-ban 2500 órát jelentett, ám egy átlagos évben csak 2050 óra várható. Ez az évnek kevesebb, mint negyede, ráadásul az éven, illetve napon belüli eloszlása egyenetlen, és az időjárási jelenségek miatt kiszámíthatatlan. Ezzel szemben a világűrben folyamatos a napsütés (napszinkron pályán), nincsenek a működést korlátozó időjárási jelenségek, és légköri elnyelés hiányában harmadával nagyobb a napelemeket közvetlenül érő napsugárzás energiája. De hogy is működik egy űrnaperőmű?

Az alapötlet

Az alapgondolat rendkívül egyszerű és tetszetős. Vigyünk fel a világűrbe, lehetőleg geostacionárius pályára nagy felületű napelemet, amivel zavartalanul lehet áramot termelni közel egész éven át, napi 24 órában. A megtermelt áramot távvezeték helyet pl. mikrohullámokkal juttathatjuk a felszínre. Szükség van még egy nagy antennára a felszínen is, hogy a mikrohullámokat újra elektromos árammá alakítsuk. Milyen egyszerű! Miért nem használunk mégsem űrnaperőműveket a szén és földgáz üzeműek helyett?

Tervezzünk űrnaperőművet!

A problémák megértéséhez tekintsük át, hogy mire is van szükség egy geostacionárius pályáról energiát sugárzó erőműhöz. A napállandó hozzávetőlegesen 1,4 kW/m^², így ha 1 GW-nyit szeretnénk hasznosítani, akkor mintegy 0,7 km^² felületet kell lefednünk napelemekkel. A napelemek hatásfoka jelenleg 25-30%, tehát az 1 GW napsugárzásból 300 MW egyenáramot lehet nyerni. Ahhoz, hogy ezt a felszínre juttassuk, át kell alakítani rádiósugárzássá, aminek a hatásfoka jelenleg nagyságrendileg 50%, így már csak 150 MW marad. Ebből a felszínt 127,5 MW rádiósugárzás éri el, amit ismét árammá kell alakítani. Ennek a hatásfoka 70%, így a 0,7 km^² napelem 89,25 MW áramot szolgáltat a felszínen, ami a világűrben megtermelt áramnak kevesebb, mint harmada. Ennek ellenére megérheti, mert éves szinten akár 40%-kal több energiát adhat egy napelem a világűrbe telepítve, mint a felszínen, ráadásul sokkal egyenletesebben, és előre tervezhető módon.

Az űrbeli naperőmű működésének vázlata. (Kép: Business Insider)

A problémák

Ahhoz, hogy a földi erőműveket ki lehessen váltani, több gigawattos teljesítményű űrbéli rendszerre lenne szükség, ami hatalmas, 10 km^² energiagyűjtő felületet jelent. (Az e téren rekordernek számító ISS napelemeinek összesített felülete mindössze 3000 m^²!) Ekkora szerkezet megépítése a világűrben önmagában is komoly kihívás. Ráadásul folyamatosan mozgatni is kell, hogy mindig a Nap felé nézzen, miközben az energiát lesugárzó antenna a felszíni vevő felé kell forduljon. Az energiaátalakítások során hővé alakuló energiától meg kell szabadulni, ami vákuumban csak sugárzás segítségével lehetséges. Az ehhez szükséges radiátorok felülete összemérhető a napelemekéivel. A nagy méret nagy tömeget is jelent, ám a teljes tömeg nagy részét, akár 80%-át is az antenna adja. A jelenleg elérhető rakétákkal (pl. Delta-IV Heavy, Hosszú Menetelés-5) egyszerre legfeljebb 15 t juttatható fel geostacionárius átmeneti pályára, így egy 10-20 ezer tonnás erőmű összeállításához több ezer indításra lenne szükség. A jelenlegi indítási-gyártási kapacitások mellett ez csak évtizedek alatt képzelhető el.

A legnagyobb problémát persze a költségek jelentik. Például egy Delta-IV Heavy ára jelenleg 350 millió dollár, így egy űrnaperőmű pályára állításból adódó fajlagos költsége irreálisan magas. Ezen jelentősen javíthatna, ha sikerülne legalább megközelítenie a SpaceX BFR rakétájának a beharangozott, több nagyságrenddel alacsonyabb árszintet.

A költségeknek hasonlóan nagy részét teszik ki a napelemek. Jelenleg ugyanis az űrbéli használatra készülő napelemek ára 500 dollár/W, ami belátható időn belül lecsökkenhet 250 dollár/W szintre. Ha a felszínen 1 GW elektromos teljesítményt szeretnénk, akkor geostacionárius pályán 11,2 GW teljesítményű napelemre lenne szükség, aminek az ára legalább 2800 milliárd dollár lenne. Ennyi pénzből a drágának mondott atomerőművekből is sok száz gigawattnyit lehetne építeni.

A problémák jelentősek, ám pár évtized alatt megoldhatók, így akár realitássá is válhatnak az űrbéli naperőművek. A kérdés inkább az, hogy ekkora időtávon szükség lesz-e még rájuk, hiszen az energiatermelés problémáira megoldást jelenthet például a megújuló energiaforrások használata az intenzíven fejlesztett energiatárolással kiegészülve.

Nagy Imre