Η διαστημική ηλιακή ενέργεια γνωρίζει άλλη μια στιγμή στον ήλιο. Η ιδέα κυκλοφορεί εδώ και περισσότερο από μισό αιώνα, αυξανόμενη και εξασθενημένη με κάθε νέο κύμα αισιοδοξίας σχετικά με την ικανότητα της τεχνολογίας να υπερνικά τη βαρύτητα. Ο ανανεωμένος ενθουσιασμός σήμερα πηγάζει από ένα πράγμα: η Κίνα έχει συμμετάσχει στη συζήτηση.
Τι κάνει διάσημη την διαστημική ενέργεια
Η έλξη της διαστημικής ηλιακής ενέργειας είναι εύκολο να κατανοηθεί. Πάνω από τα σύννεφα και έξω από τον κύκλο ημέρας-νύχτας, τα ηλιακά πάνελ σε τροχιά θα λάμβαναν σχεδόν σταθερό ηλιακό φως. Θα μπορούσαν, κατ 'αρχήν, να μετατρέψουν αυτό το φως σε ηλεκτρική ενέργεια, να το εκπέμπουν ως μικροκύματα και να παρέχουν σταθερή καθαρή ενέργεια στη Γη. Στα χαρτιά, ακούγεται σαν θεραπεία για τη διαλειμματική ροή.
Οι πρώτες λεπτομερείς μελέτες προέκυψαν από τη NASA τη δεκαετία του 1970, υποστηριζόμενες από τον ίδιο ενθουσιασμό που έδωσε στον κόσμο το Διαστημικό Λεωφορείο. Ιάπωνες ερευνητές και αργότερα ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος κράτησαν τη φλόγα ζωντανή, δημοσιεύοντας ιδέες για συστοιχίες χιλιομετρικής κλίμακας και κεραίες μικροκυμάτων σε φάσεις που θα μπορούσαν να φωτίζουν πόλεις τη νύχτα. Κάθε λίγες δεκαετίες η ιδέα επανεμφανίζεται, τυλιγμένη στην αισιοδοξία μιας νέας γενιάς για επαναχρησιμοποιήσιμους πυραύλους ή ανακαλύψεις στην ασύρματη μετάδοση ενέργειας. Στη συνέχεια, το κόστος υπολογίζεται και η ιστορία ξεθωριάζει ξανά.
Το διαστημικό πρόγραμμα της Κίνας έχει αναβιώσει την ιστορία επειδή ταιριάζει απόλυτα στις ευρύτερες φιλοδοξίες της. Η Κινεζική Ακαδημία Διαστημικής Τεχνολογίας έχει σκιαγραφήσει έναν οδικό χάρτη που ξεκινά με έναν μικρό δοκιμαστικό δορυφόρο αργότερα αυτή τη δεκαετία, κλιμακώνεται σε έναν δορυφόρο επίδειξης ενός μεγαβάτ τη δεκαετία του 2030 και φαντάζεται έναν τροχιακό σταθμό πλήρους κλίμακας ενός γιγαβάτ μέχρι τα μέσα του αιώνα. Επίσημες δηλώσεις συγκρίνουν το έργο με την κατασκευή ενός νέου Φράγματος των Τριών Φαραγγιών, μόνο σε τροχιά. Γεωπολιτικά, είναι συνεκτικό.
Η διαστημική ηλιακή ενέργεια προσφέρει μια μεγάλη πολιτική αφήγηση για τεχνολογίες που εξυπηρετούν επίσης στρατιωτικούς και βιομηχανικούς στόχους: πυραύλους βαρέως τύπου, αυτόνομη συναρμολόγηση και μετάδοση μικροκυμάτων υψηλής ισχύος. Τοποθετεί την Κίνα ως τη χώρα που θα μπορούσε επιτέλους να πραγματοποιήσει ένα μισό αιώνα ανεκπλήρωτων ονείρων διαστημικής ενέργειας. Είναι επίσης ένας τρόπος για να δικαιολογηθούν οι τεράστιες επενδύσεις στον υπερβαρύ πύραυλο Long March 9, το ίδιο όχημα που προορίζεται για σεληνιακές αποστολές και υποδομές σεληνιακού τύπου. Τίποτα από αυτά δεν τον καθιστά οικονομικά ορθολογικό ως πηγή ενέργειας.
Το κόστος απασχολεί
Ο περιοριστικός παράγοντας ήταν πάντα το κόστος ανά κιλό. Με τους σημερινούς πυραύλους, η μεταφορά ωφέλιμων φορτίων σε γεωσύγχρονη τροχιά κοστίζει μεταξύ 5.000 και 10.000 δολαρίων ανά κιλό, ανάλογα με το όχημα και τη διαμόρφωση. Ο Falcon Heavy της SpaceX είναι επί του παρόντος ο φθηνότερος λειτουργικός βαρύς εκτοξευτής. Η τιμή καταχώρισής του είναι περίπου 97 εκατομμύρια δολάρια για την ανύψωση 26,7 τόνων σε γεωστατική τροχιά μεταφοράς, περίπου 3.600 δολάρια ανά κιλό.
Μόλις το ωφέλιμο φορτίο ολοκληρώσει την καύση του για να κυκλωθεί σε γεωσύγχρονη τροχιά, το πραγματικό κόστος αυξάνεται σε περίπου 5.900 δολάρια ανά κιλό. Έκανα κάποιες αριθμητικές εκτιμήσεις και ακόμη και με 100 εκτοξεύσεις για έναν μόνο πελάτη σε ένα περιορισμένο χρονικό παράθυρο κατασκευής και με περιορισμένα κέρδη της SpaceX, το κόστος για να φτάσει κανείς σε γεωσύγχρονη τροχιά εξακολουθεί να είναι περίπου 4.500 δολάρια ανά κιλό. Αυτό είναι το σημείο αναφοράς για τον καλύτερο επαναχρησιμοποιήσιμο πύραυλο που πετάει σήμερα.
Οι τρέχοντες πύραυλοι Long March 3B και Long March 5 της Κίνας λειτουργούν πιο κοντά στα 9.000 έως 10.000 δολάρια ανά κιλό στην ίδια τροχιά. Ακόμα και με τις πιο αισιόδοξες προβλέψεις για τον επερχόμενο Long March 9, οι Κινέζοι μηχανικοί υποδηλώνουν ότι θα μπορούσαν να επιτύχουν 1.500 δολάρια ανά κιλό σε χαμηλή τροχιά της Γης και κάπου μεταξύ 2.000 και 5.000 δολαρίων ανά κιλό σε γεωσύγχρονη τροχιά. Αυτοί είναι στόχοι, όχι πραγματικότητες. Ο Long March 9 δεν έχει πετάξει και η επαναχρησιμοποιήσιμη παραλλαγή του είναι ακόμα μια ιδέα στα χαρτιά. Η βραχυπρόθεσμη αλήθεια είναι ότι η διαστημική ηλιακή ενέργεια θα απαιτούσε δεκάδες χιλιάδες τόνους υλικού για να ανυψωθεί σε τροχιά με κόστος που εξακολουθεί να στρογγυλοποιείται σε εκατοντάδες δισεκατομμύρια δολάρια.
Όταν οι αριθμοί υπολογιστούν, η εικόνα γίνεται σαφής. Μια τροχιακή διάταξη ενός γιγαβάτ μπορεί να απαιτεί περίπου 10.000 τόνους πάνελ, δοκών, ηλεκτρονικών και υλικού μετάδοσης. Με 6.000 δολάρια ανά κιλό, αυτό αντιστοιχεί σε κόστος ανύψωσης 60 δισεκατομμυρίων δολαρίων πριν παραχθεί έστω και ένα βατ. Η προσθήκη κατασκευής, συναρμολόγησης και επίγειας υποδομής διπλασιάζει το κόστος.
Είναι ένα κλασικό μοτίβο μεγάλων έργων - πρώτα η φιλοδοξία, μετά η αριθμητική. Ακόμα κι αν όλα πήγαιναν τέλεια και με δεκαετίες λειτουργίας, το σταθμισμένο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας θα ήταν της τάξης των 500 δολαρίων ανά MWh, σε σύγκριση με πολύ κάτω από 50 δολάρια ανά MWh για την επίγεια ηλιακή ενέργεια που υποστηρίζεται από αποθήκευση. Ο μόνος τρόπος για να γεφυρωθεί αυτό το χάσμα είναι να μειωθεί το κόστος εκτόξευσης τουλάχιστον κατά μία τάξη μεγέθους. Αυτή είναι η κλίμακα βελτίωσης που απαιτείται για να μεταβούμε από την ηρωική μηχανική στην εμπορική έννοια.
Η επανάχρηση υλικών
Οι επαναχρησιμοποιούμενοι πύραυλοι υπόσχονται χαμηλότερο κόστος ανά εκτόξευση, αλλά ο συμβιβασμός είναι η μειωμένη χωρητικότητα ωφέλιμου φορτίου και η πρόσθετη πολυπλοκότητα. Η επιστροφή των ενισχυτών απαιτεί τη μεταφορά επιπλέον προωθητικού, την προσθήκη υλικού προσγείωσης και την αποδοχή κυρώσεων απόδοσης σε σύγκριση με τις αναλώσιμες αποστολές. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος ανά κιλό δεν μειώνεται άμεσα με τα κέρδη επαναχρησιμοποίησης. Οι χειριστές πρέπει να εξισορροπήσουν τις χαμηλότερες οριακές τιμές εκτόξευσης με μικρότερα ωφέλιμα φορτία και υψηλότερα γενικά έξοδα ανακαίνισης, γεγονός που διατηρεί το πραγματικό κόστος ανά κιλό υψηλότερο από ό,τι υποδηλώνουν οι πιο αισιόδοξες προβλέψεις.
Οι επαναχρησιμοποιούμενοι εκτοξευτές έχουν ήδη αποκομίσει το μεγαλύτερο μέρος της εφικτής εξοικονόμησης για χημική πρόωση. Η οικογένεια Falcon καταδεικνύει τι μπορεί να κάνει η μερική επαναχρησιμοποίηση, και ακόμη και με δεκάδες επιτυχημένες προσγειώσεις, το κόστος ανά κιλό έχει σταθεροποιηθεί στα μέσα των χιλιάδων. Η πλήρης επαναχρησιμοποίηση με γρήγορη ανακύκλωση θα μπορούσε να μειώσει περαιτέρω αυτό το ποσοστό, αλλά όχι σε σημείο όπου η διαστημική ενέργεια να γίνει ανταγωνιστική με τα πάνελ και τις μπαταρίες στο έδαφος.
Πριν η τροχιακή ενέργεια αποκτήσει ποτέ οικονομικό νόημα, θα έπρεπε να υπάρχει ένα ολόκληρο βιομηχανικό οικοσύστημα στο διάστημα. Οι βαριές κατασκευές, η εξόρυξη, η διύλιση και η συναρμολόγηση θα έπρεπε να γίνονται τακτικά εκτός πλανήτη, με χιλιάδες μόνιμους εργαζόμενους και εκατομμύρια αυτόνομες μηχανές να λειτουργούν σε τροχιά ή στη Σελήνη.
Μόνο τότε το οριακό κόστος κατασκευής νέων δορυφόρων ή ηλιακών συστοιχιών θα μειωνόταν αρκετά ώστε να έχει νόημα, επειδή η υποδομή για την υποστήριξή τους θα είχε ήδη αποσβεστεί σε μια ακμάζουσα οικονομία εκτός κόσμου. Αλλά αυτό το μέλλον προϋποθέτει την ίδια την κερδοφορία που προορίζεται να δημιουργήσει η διαστημική ηλιακή ενέργεια. Η αιτία γίνεται κυκλική: η τροχιακή ενέργεια λειτουργεί μόνο όταν η διαστημική βιομηχανία είναι φθηνή, και η διαστημική βιομηχανία γίνεται φθηνή μόνο εάν η τροχιακή ενέργεια αποδίδει ήδη τα έξοδά της.
Η τροχιακή μηχανική
Εκτός από αυτήν την οικονομία επιστημονικής φαντασίας, ορισμένοι υποστηρικτές προτείνουν τη χρήση ηλιακών-ηλεκτρικών ρυμουλκών για τη μείωση του κόστους εκτόξευσης, μεταφέροντας εξαρτήματα από χαμηλή τροχιά της Γης σε γεωσύγχρονο υψόμετρο με προωθητήρες ιόντων ή Hall. Ακούγεται κομψό, αλλά η φυσική και ο χρόνος το καθιστούν μη πρακτικό. Η ηλεκτρική πρόωση προσφέρει εξαιρετική απόδοση αλλά ελάχιστη ώθηση. Η μετακίνηση εξαρτημάτων πολλαπλών τόνων θα διαρκούσε χρόνια, με το υλικό να διασχίζει επανειλημμένα τις ζώνες ακτινοβολίας.
Τα ίδια τα ρυμουλκά θα χρειάζονταν μεγάλες ηλιακές συστοιχίες και αποθέματα προωθητικού, προσθέτοντας πίσω μεγάλο μέρος της μάζας που προορίζονταν να εξοικονομήσουν. Για την απαιτούμενη κλίμακα, οι χρόνοι μεταφοράς, η έκθεση και η φθορά θα εξάλειφαν οποιοδήποτε πλεονέκτημα κόστους. Χωρίς μια προϋπάρχουσα διαστημική βιομηχανία, κάθε προτεινόμενη συντόμευση καταρρέει κάτω από το ίδιο βαρυτικό πηγάδι που κρατά αυτό το όνειρο προσκολλημένο στη γη.
Ακόμα κι αν η τροχιακή μηχανική μπορούσε με κάποιο τρόπο να γίνει ρουτίνα, το πραγματικό εμπόδιο βρίσκεται στο σημείο όπου η ενέργεια συναντά το έδαφος. Η δέσμη μικροκυμάτων ή λέιζερ που παρέχει ενέργεια από την τροχιά δεν μπορεί να συγκεντρωθεί πολύ σφιχτά χωρίς να δημιουργήσει απαράδεκτους κινδύνους ασφάλειας και παρεμβολών. Για να παραμείνει εντός των ορίων δημόσιας υγείας και αεροπορίας, η μέση πυκνότητα ισχύος πρέπει να παραμείνει περίπου 10 W ανά τετραγωνικό μέτρο, πολύ κάτω από την ένταση του άμεσου ηλιακού φωτός το μεσημέρι.
Σε αυτό το επίπεδο, μια διαστημική δέσμη κατηγορίας γιγαβάτ χρειάζεται μια ακτίνα που να καλύπτει δεκάδες έως εκατοντάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα. Η γη κάτω από το πλέγμα θα μπορούσε να βοσκοτόπηση ή καλλιέργεια, αλλά θα εξακολουθούσε να είναι δεμένη από περιορισμένο εναέριο χώρο, ηλεκτρομαγνητικές ζώνες ασφαλείας και ακριβές διασυνδέσεις δικτύου. Το ίδιο αποτύπωμα θα μπορούσε να φιλοξενήσει συμβατικά φωτοβολταϊκά πάνελ που θα παρήγαγαν αθόρυβα την ίδια ή μεγαλύτερη ισχύ χωρίς καμία τροχιακή πολυπλοκότητα.
Το κόστος παραμένει βασικό
Το θεμελιώδες μέτρο οποιασδήποτε ενεργειακής τεχνολογίας είναι το κόστος ανά MWh που παραδίδεται στο δίκτυο. Ακόμα και με τις καλύτερες υποθέσεις - φθηνές εκτοξεύσεις, τέλεια μετάδοση μικροκυμάτων και μηδενικές απώλειες συντήρησης - η διαστημική ηλιακή ενέργεια δεν μπορεί να προσεγγίσει τις επίγειες εναλλακτικές λύσεις. Οι πιο αισιόδοξες μελέτες που χρησιμοποιούν κόστος εκτόξευσης 2.000 δολαρίων ανά κιλό εξακολουθούν να αποδίδουν ηλεκτρική ενέργεια σε εκατοντάδες δολάρια ανά MWh, ενώ η παγκόσμια αγορά κινείται ήδη προς μονοψήφια νούμερα για την αιολική ενέργεια στην ξηρά και την ηλιακή ενέργεια κοινής ωφέλειας, και η προσθήκη αποθήκευσης διατηρεί το κόστος πολύ κάτω από τα 100 δολάρια ανά MWh. Η διαστημική ηλιακή ενέργεια μοιάζει λιγότερο με ανταγωνιστή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και περισσότερο με ένα έργο επίδειξης για εθνική ικανότητα.
Αυτό δεν σημαίνει ότι στερείται αξίας. Οι μηχανικές προκλήσεις που αντιμετωπίζει — ασύρματη μεταφορά ενέργειας υψηλής απόδοσης, αυτόνομη συναρμολόγηση μεγάλων κατασκευών, ελαφριά υλικά και ακριβής τροχιακός έλεγχος — σχετίζονται άμεσα με άλλες διαστημικές δραστηριότητες. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών θα ωφελήσει τους δορυφόρους επικοινωνιών, τα διαστημικά τηλεσκόπια και τις πλανητικές αποστολές.
Το έργο δίνει επίσης στην Κίνα ένα πολιτικό πλαίσιο για επενδύσεις που εξυπηρετούν πολλαπλούς στρατηγικούς σκοπούς. Η κατασκευή ενός πρωτότυπου διαστημικού σταθμού παραγωγής ενέργειας δεν αφορά την επίλυση της ενεργειακής μετάβασης. Πρόκειται για την ανάπτυξη των βιομηχανικών και στρατιωτικών τεχνολογιών που θα διαμορφώσουν την επόμενη φάση του ανταγωνισμού σε τροχιά.
Το μέλλον
Ο ανανεωμένος ενθουσιασμός γύρω από την ηλιακή ενέργεια στο διάστημα λέει περισσότερα για τη γεωπολιτική παρά για το μέλλον της ενέργειας. Το πρόγραμμα της Κίνας προσφέρει μια ιστορία τεχνολογικής αυτοπεποίθησης και μια δικαιολογία για τον υπερβαρύ εκτοξευτή που ήδη κατασκευάζει για σεληνιακές φιλοδοξίες. Για άλλα έθνη, παρέχει έναν λόγο να επανεξετάσουν τις δικές τους δυνατότητες και φιλοδοξίες σε τροχιά. Ωστόσο, η φυσική και η οικονομία παραμένουν ακλόνητες. Η ανύψωση χιλιάδων τόνων μηχανημάτων από το πηγάδι βαρύτητας της Γης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί ήδη να παραχθεί φθηνά στο έδαφος εξακολουθεί να είναι μια χαμένη συμφωνία.
Και όμως, το όνειρο επιμένει επειδή είναι όμορφο. Η εικόνα του ατελείωτου ηλιακού φωτός που συλλαμβάνεται σε τροχιά και ακτινοβολείται απαλά στη Γη έχει μια ποιητική έλξη που τα υπολογιστικά φύλλα δεν μπορούν να μειώσουν. Ενσαρκώνει την ίδια ελπίδα που κάποτε μας οδήγησε στη Σελήνη - την πεποίθηση ότι η ανθρώπινη εφευρετικότητα μπορεί να ξεπεράσει τα όρια. Αλλά η αριθμητική της μάζας και του χρήματος παραμένει άκαμπτη. Μέχρι να μειωθεί κατά τάξεις μεγέθους το κόστος μετακίνησης και διατήρησης της ύλης σε τροχιά, η διαστημική ηλιακή ενέργεια θα παραμείνει αυτό που ήταν πάντα: ένα φωτεινό σύμβολο φαντασίας, που θα περιστρέφεται για πάντα, σχεδόν εκτός εμβέλειας.
www.worldenergynews.gr
