Žemės energijos poreikius gali užtikrinti tik kosmosas?

Kosmosas ir energetika – dvi nesusijusios sąvokos? Mokslinė fantastika – elektros energiją gauti iš Kosmoso? Neskubėkime atmesti šios galimybės, nes jau šiuo metu keliamos naujos prielaidos kaip ateityje apsirūpinti energija naudojant naujausias technologijas Kosmose arba/ir Žemėje.

Kokia ateitis laukia pasaulio energetikos? Pavyzdžiui JAV, kurioje jau virš 30 metų nebestatomos atominės elektrinės, specialistai mato tokią energetikos ateitį: naftos atsargos išseks po 45 metų, 2100 metais pasauliui reikės 3 kartus daugiau energijos, negu jos dabar per metus pagaminama vartojant naftą, dujas ir anglį, reikės 1,13 kvintilijonų (milijardas milijardų) BTU (energijos vienetų, reikalingų 0,454 kg vandens temperatūrai pakelti nuo 3,8 iki 4,4 °C) energijos. Pagaminti bent pusę tokio energijos kiekio prisireiktų 18000 naujų atominių reaktorių, kurių statybos kaina, aptarnavimas, kuro tiekimas, atliekų saugojimas šių dienų skaičiavimais viršytų pasaulyje esamą pinigų kiekį. Be to, kad minėtas atominių elektrinių skaičius būtų pastatytas, ateinančius 90 metų kas dvi paras reikėtų paleisti vieną naują reaktorių! 

Net jei būtų panaudota visa šiandien žinoma atsinaujinančių šaltinių (vėjo, Saulės, geoterminė ir potvynių) energija, vis tiek 2100 metais pasaulis turėtų tik trečdalį reikiamos energijos. Ir net sujungus visas žinomas Žemėje energijos gamybos rūšis ateityje energijos poreikis būtų patenkintas tik 2/3.

Praėjusiais šimtmečiais buvome ir šiandien vis dar tebesame „dėkingi“ iškastiniam kurui (anglims, dujoms, uranui ir pan.), t.y. tokiems energijos gamybos ištekliams, kurie teršia aplinką, nors turime galingą ir neišsenkamą energijos šaltinį - Saulę. 

Šiuo metu aplink Žemę įvairiose orbitose skraido apie 300 palydovų (jiems energiją tiekia efektyvūs Saulės elementai) ir jie užtikrina 250 mln. dolerių ryšių ir telekomunikacijų pramonės veiklą. Kosmose Saulės elementų sistemos gali būti neaprėpiamų matmenų ir surinktų dvigubai daugiau energijos nei tokios pat sistemos Žemėje. Pagaminti tokias sistemas, jas iškelti į Kosmosą yra lengviau ir pigiau negu pastatyti 18000 naujų atominių elektrinių.

Taigi, gal naujų elektros energijos šaltinių reikia ieškoti Kosmose, bet ne dar giliau gręžtis į Žemės gelmes.

Saulės energetika Mėnulyje

Būti ar nebūti atominei energetikai? – klausimas, kuris yra sprendžiamas daugelyje valstybių, ir jau ne paslaptis, kad XXI amžiuje atominė energetika vertinama kontraversiškai. Atominių jėgainių veikimas yra pagrįstas branduolio dalijimusi. Proceso metu susidaro įvairūs radioaktyvūs izotopai, kurių gyvavimo trukmė yra labai įvairi ir siekia šimtą tūkstančių metų. Kitas būdas gauti didelius labai švarios energijos kiekius yra branduolinė sintezė. Tačiau pirmos kartos branduolinės sintezės reaktoriaus idėja yra sunkiai įgyvendinama, nes ypač sudėtinga jungiant tritį su deuteriu „sulaikyti“ išsiskyrusius labai didelę energiją turinčius greituosius neutronus. Ateityje tokio tipo reaktorių kuras galėtų būti Helis-3 (He3). Tai dujinio pavidalo, lengvas ir neradioaktyvus helio izotopas turintis du protonus ir vieną neutroną. Bėda ta, kad jo Žemėje beveik nėra. Jo, kaip šalutinio produkto, gaunama vos 15 kg per metus gaminant branduolinį ginklą. He3 pagrindu veikiantis eksperimentinis branduolinės sintezės reaktorius yra Kalifornijoje, Nacionalinėje Lorenco Berklio laboratorijoje.

Kitokia situacija yra Mėnulyje. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, o Saulės vėjas milžiniškus Helio-3 kiekius nešioja Kosmoso platybėse, todėl ši medžiaga nuolat kaupiasi Mėnulio grunte. Manoma, kelių metrų gylyje He3 yra virš 1 milijono tonų. Technologija šioms dujoms išgauti būtų sąlyginai paprasta - reikėtų pakaitinti Mėnulio dulkes iki 600 °C laipsnių temperatūros, iš jų išsiskyrusias He3 dujas ir sukauptas specialiuose balionuose parsigabenti į Žemę. Amerikiečiai paskaičiavo, kad 25 tonų šių dujų (tai pilnai pakrautas daugkartinio naudojimo erdvėlaivis) pakaktų vienerių metų JAV energetiniams poreikiams patenkinti elektrą gaminant antros kartos branduolinės sintezės reaktoriuose. (plačiau žr. Astronautas siūlo energijos išteklių stokos problemą Žemėje spręsti Mėnulyje išgaunant helį)

Kosmoso valstybės jau nebeslepia savo planų pradėti kasybos darbus Mėnulyje. Rusijos kosmoso korporacija „Energija“ ketina iki 2015 metų įkurti Mėnulio bazę, o 2020 metais pradėti pramoninę dujų gavybą. NASA taip pat paskelbė apie savo ketinimą iki 2024 metų įsteigti nuolatinę bazę Mėnulio poliuose, o He3 dujos yra viena iš būsimos misijos tikslų. Kinija paskelbė, kad 2017 metais planuoja į Mėnulį nuskraidinti taikonautą (astronautas iš Kinijos, kin. yuhangyuans), kuris greta kitų užduočių išmatuos Mėnulio grunto storį ir He3 kiekį grunte. Jau žinoma, kad Indija, Japonija ir Vokietija ruošiasi atlikti ir He3, kaip galimo ateities branduolinio kuro, paiešką Mėnulyje.

Korporacijos „Shimizu“ (Japonija) specialistai pasiūlė „Mėnulio žiedo“ projektą. Matomoje iš Žemės Mėnulio pusėje ekvatoriuje siūloma nutiesti 11000 km ilgio ir 400 km pločio Mėnulio Saulės fotoelektrinių elementų „diržą“, projekte tiesiog vadinamą Saulės diržu. Sukaupta energija iš 20 km diametro antenų mikrobangomis ir lazerio spinduliu būtų siunčiama į keletą vietų Žemėje (visos būsimos energijos priėmimo vietos parinktos mažai apgyvendintose teritorijose Ramiajame vandenyne).

Panašu, kad artimiausioje ateityje Mėnulis gali tapti Žemės energetinių poreikių užtikrinimo garantas, o techninės sąvokos - Mėnulio kasyba, Mėnulio bazės, Mėnulio transporto kosminiai laivai, Saulės Mėnulyje energetika - kasdieniškais terminais.

Saulės energetika Kosmose

Japonija 2015 metais į orbitą ruošiasi paleisti įrenginį, panašų į Saulės elektrinę Kosmose, kuris į Žemėje esantį imtuvą siųstų 100 kilovatų elektros energiją. Sėkmės atveju numatyta, kad iki 2030 metų Japonijos Saulės elektrinių Kosmose galingumas gali siekti 1000 megavatų (šios elektrinės galingumas yra artimas planuojamo VAE reaktoriaus galingumui).

Amerikiečių kompanija „Solaren“, kurioje dirba palydovus konstruojantys inžinieriai ir Kosmosą tiriantys mokslininkai, bus pirmoji pasaulyje įmonė, pradėjusi gaminti elektros energiją Kosmose. Jau 2016 metais energiją iš šios įmonės geostacionarioje orbitoje įrengtos Saulės elektrinės į Žemę siųs elektromagnetinėmis (centimetrinėmis) bangomis. Tokios elektros gamybos sistemos, kuri aprūpins Kalifornijoje esančią Fresno apygardą, galia sieks 200 megavatų. 

Kuriant panašias Saulės energijos elektrines Kosmose neatsilieka ir europiečiai. Europos aeronautikos gynybos ir kosmoso kompanija „Astrium“ planuoja „įdarbinti“ infraraudonųjų spindulių lazerį ir labai aukštos kokybės veidrodžius.

Energetika Žemėje

Vartant lietuviškų ministerijų internetinius tinklalapius kyla klausimas „Kam mes įstojome į ES? Arba į NATO?“ Manau tam, kad patiems prisidedant naudotis šių bendruomenių sukuriamais „vaisiais“, taip pat Kosmoso technologijomis. Juk Devintojo dešimtmečio pradžioje NASA Levis (nuo 1999 metų pervadintas Johno J. Glenn vardu) mokslinių tyrimų centro specialistai sukūrė Kosmosui skirtas technologijas, kurios vėliau buvo pritaikytos Saulės energijos įrenginių vartojimui Žemėje. Saulės energija yra nuostabi. Kiekvienas Žemės paviršiaus kvadratinis metras gauna vidutiniškai 164 vatus Saulės energijos. Kitaip tariant, jei kiekviename Žemės paviršiaus kvadratiniame metre pastatytume po galingą (150 W) stalinę lempą, tai visa planeta būtų apšviesta! Bet kad Saulės energiją įsisavintume, reikalingi įvairūs įrenginiai tokie kaip Energijos serveriai, Energijos saugyklos ir pan. 

Energijos serveriai (angl. Energy server). Šio termino nerasime lietuviško interneto tinklyne. Žiniatinklyje www.technologijos.lt rašoma, kad kompanijos „Google“ serveriai (ne energijos serveriai) sunaudoja labai mažai elektros energijos ir, anot pačios „Google“, jos duomenų centrai energijos suvartojimo požiūriu yra efektyviausi pasaulyje. Bet kodėl? Priežasčių reiktų ieškoti skrydžiuose į Marsą.

Ilgalaikių kosminių misijų metu reikalingi energetiniai resursai astronautų gyvybei užtikrinti ir įrengimams veikti. NASA Ames mokslinių tyrimų centras pateikė Arizonos universiteto Kosminių technologijų laboratorijai užsakymą išspręsti gyvybės palaikymo Marse uždavinį. Laboratorijoje buvo sukurtas įrenginys, kuris, naudodamas Saulės energiją, galėjo Marse esantį vandenį „suskaldyti“ į deguonį, skirtą kvėpavimui, ir vandenilį, kurį galima naudoti kaip kuro pakaitalą. Kai 2001 metais misija Marse baigėsi, universiteto specialistai, pasinaudodami tuo, ką sukūrė NASA Marso projektui, išsprendė atvirkštinę problemą – sukūrė technologiją skirtą žemiškoms reikmėms tenkinti, kuri iš deguonies ir kuro gamina elektrą. Kosmoso technologijoje naudotą brangią platiną specialistams pavyko pakeisti pigesnėmis medžiagomis. Kompiuterio diskelio dydžio plokštelė pagaminta iš pigių, į smėlį panašių miltelių ir padengta specialiu rašalu (viena pusė, anodas, žalsvos spalvos, kita pusė, katodas – juodos spalvos) sukuria 25 vatų energiją. Duonos kepalėlio dydžio plokštelių baterija (angl. stack) gali aprūpinti elektra normalaus dydžio namą, o automobilio parkavimo aikštelės dydžio energijos serveris pagamina 100 kilovatų elektros energijos. 

Kompanija „Bloom Energy“ jau įdiegė 20 megavatų (200 sistemų) gaminančius įrenginius. Juos, dabar vadinamus „Bloom Box“, jau instaliavo „Google“, „Coca-Cola“, „FedEx“, „eBay“, „Staples“, „Wallmart“, „Bank of America“, „Cox Enterprises“, „Kaiser Permante“, „Becton&Dickinson“, o Kalifornijos technologijų institutas (Caltech) tapo pirmuoju naujo 2MW galios įrenginio „Bloom Electrons“ vartotoju. Minėtų kompanijų pasirinkimas akivaizdus, nes taip gaminama elektra yra 20 proc. pigesnė nei elektra, gaunama iš elektros tinklų. 

Energijos saugyklos (angl. Energy storage). Atsinaujinančių energijos šaltinių energetika dažniausiai kritikų ar oponentų yra puolama dėl menkų galimybių kaupti sukuriamą energijos (pvz. Saulės, vėjo ir pan.) perteklių. Šiandien pagaminamos elektros energijos perteklius yra saugomas net keliais būdais. 

Ilgai trunkančių kosminių skrydžių metu energijos tiekimo užtikrinimui dar 1970 metais Levis (dabar Glenn) mokslinių tyrimų centre buvo sukurtos geležies-chromo redukcinės energijos saugojimo sistemos. 2004 metais įkurta kompanija „Deeya Energy Inc.“ gamina geležies-chromo hibridines srautines baterijas tinkančias perteklinei vėjo, Saulės, biomasės ir kitų rūšių atsinaujinančių išteklių gaminamai energijai saugoti. Technologija pavadinta L-elementas (angl. L-cell, nuo žodžio liquid-cell), Ši technologija 2008 metais sertifikuota kaip Kosmoso technologija. L-elementų sistemos yra pigesnės nei švino rūgštiniai akumuliatoriai ir 10-20 kartų pigesnės nei nikelio-metalo hidridinės, ličio jonų baterijos ir kuro elementai. L-elementai tarnauja 7 metus, po to juos reikia renovuoti, o jų pakrovimų skaičius neribotas. Šią technologiją vėjo jėgainių pagamintai energijai saugoti jau naudoja tokios kompanijos kaip „Pacific Gas and Electric Company”, „Southern California Edison”. Klientai ypač gerai įvertino galimybę nesudėtingai už nedidelę kainą padidinti saugyklos pajėgumus – tiesiog reikia papildyti elektrolitų talpas. Artimiausiu metu “Deeya Energy” planuoja įdiegti 50 megavatų srautinių energijos baterijų talpyklas.

Kitą, su kosmoso reikmėmis nesusijusią technologiją pasiūlė Jungtinių Arabų Emyratų kompanija „Rubenius“. Pastaroji Baja Kalifornijoje (Meksikos valstija besiribojanti su Kalifornijos valstija JAV) nusipirko 140 ha žemės ir už 4 milijardus dolerių statys 1000 megavatų natrio sieros akumuliatorių energijos saugyklą „Energijos sandėlis Nr. 1“ , iš kurios energija bus tiekiama Meksikai ir JAV. Užbaigusi šias statybas, panašias energijos saugyklas „Rubenius“ statys Brazilijoje, Rusijoje, Kinijoje, Indijoje, Pietų Afrikoje ir dar keliose kylančios ekonomikos valstybėse. 

Dykumų Saulės energetika. Yra žinoma, kad per 6 valandas pasaulio dykumos iš Saulės gauna daugiau energijos negu Žmonija jos suvartoja per metus. Šie skaičiavimai nuolat vertė inžinierius, verslininkus, politikus mąstyti kaip „paimti“ bent dalį tos energijos. 

2009 metais Sacharos dykumoje pradėtas įgyvendinti 400 milijardų eurų vertės projektas „Desertec“, kurį pasiūlė Romos klubas. Darbų pradžiai lėšų skyrė Vokietijos draudimo bendrovė „Munich RE“. Įgyvendinus šį projektą kaupiama Saulės energija kaitins vandenį, o išsiskiriantys garai suks elektros turbinas. Pagaminta elektra keliaus į Senąjį žemyną, Artimuosius rytus ir Afriką. „Desertec“ yra bene ambicingiausias Saulės energijos panaudojimo planas visame pasaulyje. Projektas yra paremtas trimis išsamiomis Vokietijos Aerokosmoso centro (DLR) studijomis, kurių užsakovas - Vokietijos aplinkos ministerija.

Australijos kompanija „Solar Systems“ iki 2030 metų planuoja pasiekti 5000 megavatų Saulės elementų elektrinės gamybos apimtį, kurios įdiegimo kaina sieks 5 milijardus eurų. Palyginimui Suomijoje statomos naujos kartos atominės jėgainės reaktoriaus Olkiluoto-3 galia bus 1600 megavatai, o statyba, jau vėluojanti 4 metus, kainuos virš 5,3 milijardo eurų.

Naujausios Saulės elementų sistemos

JAV Energetikos departamento (DOE) Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos specialistai sukūrė technologiją, kurią naudojant silicis yra paverčiamas į rašalą. Stulbinanti inovacija, kuri leidžia greičiau gaminti Saulės elementus, tapo svarbiausia šių metų žurnalo „R&D Magazine“ naujove. Taip pat buvo sukurta naujo tipo krosnis, kurioje yra „kepami“ Saulės elementai. Iš jų saulės elementų gamyboje laukiama revoliucinių permainų. Laboratorijos mokslininkas Bhushan Sopori sako, kad „procesas, kuris užtrukdavo iki 20 minučių, dabar tetrunka vos vieną sekundę. Dėl naujos krosnies, kuri naudoja fotonus tolygiam kristalinių saulės elementų ir puslaidininkių medžiagos kaitinimui, saulės elementų efektyvumas išaugo trimis-keturiais procentais. Ir visa tai kainuoja 75 procentais mažiau nei buvo daroma pramoninėse terminėse arba infraraudonosios spinduliuotės krosnyse“.

Prieš tris mėnesius kompanija „DuPont“, mokslo rezultatais paremtų produktų ir paslaugų gigantas, kitais metais švęsiantis 200 metų veiklos jubiliejų už neskelbiamą sumą nusipirko perspektyvią kompaniją „Innovalight“. Po pirkinio „DuPont“ atstovas sakė, kad „Saulės energijos komponentų ir skydelių kainos krenta taip greitai, kad gamintojai stengiasi kuo greičiau sumažinti išlaidas, kad galėtų veiksmingai konkuruoti“. Atrodo, kad žemesnių Saulės elektros energijos kainų estafetė startavo.

Silicio slėnyje įsikūrusi bendrovė „Nanosolar“ yra pirmaujanti ekonomiškų plonasluoksnių lanksčių Saulės elementų ir skydelių gamintoja pasaulyje. Kalifornijoje gaminama produkcija „Power Sheet“ yra siunčiama į netoli Berlyno esančio miestelio Luckenwalde fabriką, kur yra gaminamos Saulės elementų paneliai. „Nanosolar“ steigėjas Martinas Ročeisenas sako, kad „gaminama plėvelė yra 100 kartų plonesnė už egzistuojančiose Saulės skydelių plėveles, o puslaidininkiai plėvelėje įdiegiami šimtą kartų greičiau nei įprasta. Tai labai smarkiai sumažina mūsų produkcijos kainas“. Susidomėjimas plėvele „Power Sheet“ yra toks didelis, kad „Nanosolar“ jau turi užsakymų penkeriems metams į priekį. Ši bendrovė taip pat yra gavusi 150 milijonų dolerių paramą iš rizikos kapitalo, įskaitant ir iš „Google“. „Nanosolar“ net neslepia savo produkcijos kainų – 1 kilovato instaliacija maksimaliai kainuos apie 1750 JAV dolerių, t. y. kelis kartus mažiau nei 1 kilovatas atominės energijos. Be to „Nanosolar“ Saulės jėgainės įrengiamos tik per keletą mėnesių, tad ateičiai jau nupirkta 1000 megavatų galia. Numatoma, kad 2014 metais „Nanosolar“ elektros kainos Kalifornijoje, Vokietijoje, Italijoje ir Indijoje statomų Saulės jėgainių bus atitinkamai 10, 18, 11 ir 10 amerikietiškų centų už kilovatvalandę. Tiesa, kompanijos vadovai teigia, kad po tokio gero starto energijos kaina gali nukristi net iki 6 JAV centų (ne daugiau 15 lietuviškų centų) už kilovatvalandę. Beje, „Nanosolar“ produkciją – Saulės elementų panelius – yra apdraudusi jau anksčiau minėta Vokietijos draudimo kompanija „Munich RE“. Matyt Europoje Sacharos Saulės neprailgs laukti.

Gali būti taip, kad po 10-20 metų kai kurioms valstybėms bus labai nepatogu prisipažinti, kad stato atominę elektrinę. Panašu, kad po 60-70 metų uždarinėjant šiais laikais pastatytas atomines elektrines, jas teks ilgus dešimtmečius „maitinti“ Saulės, vėjo ir Kosmoso energijos įrenginiais gaminama elektra. Paradokslu matyti tokią ateitį.

Tiesiog… žmogaus energetika

Grenoblio Žozefo Furjė universiteto mokslininkai sukūrė įrenginį, kuris energiją „ima“ iš gyvo organizmo. Gal būt tai fantastika, bet 2010 metų pradžioje biokuro elementas 40-čiai dienų implantuotas laboratorinėje žiurkėje visą laiką gamino elektros energiją ir neturėjo šalutinio poveikio žiurkės sveikatai ir elgesiui. Perspektyva – žmogaus energijos šaltinis? Biokuro elementas (angl. biofuel cell) elektrą generuoja iš gliukozės ir deguonies jų koncentraciją parinkus tokią pat kaip ir gyvame organizme.

Baigdamas šią apžvalgą negaliu nešmaikštauti. Vyresnioji karta turėtų prisiminti žymaus rusų humoristo Arkadijaus Raikino repliką: „futbolo aikštėje veltui bėgioja 22 futbolininkai, todėl jiems prijungus „dinamą“ (nuolatinės srovės generatorius) galima būtų nemokamai gaminti elektrą“. Tokį humoristo posakį neseniai „įamžino“ dizaineris Nadimas Inaty pasiūlęs sprendimą kaip bėgiojančių ristele parkuose žmonių kinetinę energiją paversti elektros energija. Žavinga inovacija, ar ne? Ir panašu, kad įgyvendinama, nes su šiuolaikinėmis medžiagomis, pasitelkus kosmoso technologijas viskas yra įmanoma. Juk elektrą gaminsimės net bėgiodami!

Daugiau naujienų apie įvairias ateities kosmoso technologijas bus galima sužinoti lapkričio 16-18 d. Vilniuje įvyksiančioje antrojoje tarptautinėje kosmoso konferencijoje „SEMWO 2011“.

Saulius Lapienis,
Lietuvos inovacijų centras,
Kosmoso mokslo ir technologijų institutas

   

Facebook komentarai