Solarni fluks neposredno van Zemljine atmosfere naziva se ‘solarna konstanta’ i ima približnu vrednost od 1373 W/m2[1]. Refleksija, raspršivanje i apsorpcija svetlosti u atmosferi mogu da smanje tu vrednost za 15–80% pre nego što stignu do Zemljine površine. Raspršivanje i apsorpcija ne utiču podjednako na sve talasne dužine, pa dolazi do značajnih promena u spektralnoj distribuciji Sunčeve svtlosti kako svetlost prodire u atmosferu.
Raspršivanje (scattering) svetlosti koje izazivaju molekuli gasova u atmosferi proporcionalno je 1/λ4 (kako opisuje Rayleighov zakon, gde je λ talasna dužina svetlosti). Deo ove svetlosti raspršuje se nazad u svemir, dok se deo raspršuje prema napred i doseže površinu Zemlje kao dnevna svetlost. Obzirom da je raspršivanje obrnuto proporcionalno sa λ4, najkraće talasne dužine se najlakše raspršuju u atmosferi, usled čega nam nebo bez oblaka deluje plavo. Iako nisu vidljivi, veliki deo fluksa UV zračenja u vidu kratkih talasnih dužina može da stigne do površine Zemlje kao raspršena dnevna svetlost (za razliku od direktne Sunčeve svetlosti). Uz dodatne molekule gasova, raspršivanju svetlosti mogu da pridonesu i čestice prašine i vodena para (kao oblaci) u atmosferi.
Ukupna količina energije koju u sekundi prima gornji sloj Zemljine atmosfere (TOA) meri se u vatima i dobija se množenjem solarne konstante sa površinom preseka Zemlje izložerne zračenju[2]. Budući da je površina lopte četiri puta veća od površine preseka lopte (tj. površine kruga), prosečni TOA fluks iznosi jednu četvrtinu solarne konstante i iznosi približno 340 W/m2. Budući da apsorpcija varira u zavisnosti od lokacije, kao i dnevnih, sezonskih i godišnjih varijacija, navedeni brojevi su dugoročni proseci, obično dobijeni iz više satelitskih merenja.
Od ~340 W/m2 solarnog zračenja koje prima Zemlja, prosečno se ~77 W/m2 odbija u kosmos od oblaka i atmosfere, a ~23 W/m2 se odbija kao površinski albedo, ostavljajući ~240 W/m2 ulazne solarne energije kao Zemljin energetski budžet[3]. To Zemlji daje prosečni neto albedo (konkretno, njegov Bond albedo) od 0,306.
Ovo je prilično zanimljiva priča o kojoj bi se dala napisati čitava knjiga, ali meni je poslužila samo kao uvod jer danas hoću da pišem o nečen drugom, a to je stari ruski plan o solarnoj elektrani u kosmosu!
Naime, tokom sedamdesetih je izgledalo da je san o neograničenoj jeftinoj i čistoj energiji pred vratima... Mreža kosmičkih stanica bi hvatala Sunčevu svetlost i obezbeđivala gotovo svu energiju potrebnu našoj civilizaciji. Većina tih projekata je nestala kada je završena naftna kriza, ali san o nepresušnom izvoru energije iz kosmosa je ostao i do danas. Rusija je želela da ga i ostvari...
Ruski projekat orbitne solarne elektrane. Do pre samo neku godinu izgledalo je da će Rusi (i Kinezi) postati lideri u ovoj oblasti.
Kosmičke solarne elektrane predstavljaju koncept star koliko i istraživanje kosmosa i u Sjedinjenim Državama je poznat kao SSPS (Space Solar Power System), a u Rusiji kao KSES (Kосмические Солнечные Электростанции). Krajem 60-ih i početkom 70-ih, SSPS je obećavao da postane savršen izgovor za promociju ambicioznog kosmičkog programa. Nekoliko projekata sponzoriranih od strane Nase uključivalo je izgradnju divovskih solarnih stanica u geostacionarnoj orbiti koje bi sastavljali deseci astronauta.
Smeštene u geostacionarnu orbitu, stanice bi ostajale gotovo statične u odnosu na tlo, garantujući gotovo konstantnu izloženost Sunčevoj svetlosti – za razliku od onoga što se događa u niskoj orbiti – i olakšavajući prenos energije na Zemlju. Ali kako preneti električnu energiju koju generiš solarni paneli smešteni 36000 km daleko? Lako. Koristeći mikrotalasne zrake (oko 3,3 GHz) koji bi se ponovo konvertovali u električnu energiju u zemaljskim stanicama opremljenim gigantskim antenama prečnika od jednog do deset i više kilometara!
Zemaljska stanica za primanje mikrotalasne zrake sa SSPS stanice
Na sreću ili na žalost, sećam se tih vremena iako sam bio mali. Bilo je to vreme velikog kolektivnog entuziazma i vere u napredak i nauku. Akcenat i slogan u čitavom svetu je bilo učenje i obrazovanje, a sve u svrhu napretka svoje zemlje pa samim tim i čitavog sveta. Takvo je bilo vreme. Sve je izgledalo prosto i čisto: muškarci su bili vredni i pametni, mame su bile lepe i dobre domaćice a deca su išla u školu, bavila se hobijima i sportovima. U mojoj zgradi je svaki drugi komšija imao vikendicu ili na moru ili negde na selu, svi su išli svojim kolima s porodicama na letovanje, a ujesen su sindikati delili polutke i pekle se paprike za zimu. Gledano šire, u to vreme nam je put na druge planete izgledao daleko bliži nego danas, a projekti nekakvih solarnih jedara ili brodova na nuklearni dogon za putovanja na druge zvezde krajnje realan. Zato dok sada pišem o ovim solarnim centralama i antenama od desetak kilometara shvatam da to kad tada nismo napravili danas sigurno nećeno. Što kažu stari komunisti ovim današnjim vlastodršcima: 'Vi niste u stanju ni da okrečite ono što smo mi tada izgradili...'
Dokaz je da im se Arecibo skljokao jer nisu uspeli ni da ga održavaju kako valja a kamoli da naprave drugi.
۞ ۞
No vratimo se današnjoj temi.
Nekoliko problema je stajalo između ovih idiličnih projekata i stvarnosti. Najvažnija je bila ogromna masa svake solarne stanice. Da bi generisale 5-10 gigavata (GW) energije iz solarnih panela na bazi silicijuma (efikasnost približno 11%), stanice bi trebale da budu vrlo velike. Prilično monstruozne, veličine oko 5 kilometara. Masa bi im takođe bila kolosalna: u zavisnosti od snage ili korišćenih tehničkih rešenja, procenjivalo se da će svaka SSPS stanica doseći 10.000 ili 18.000 tona (!). Samo prototip bi težio oko 128 tona. Ako uzmemo u obzir da bi raketa sa najvećom nosivošću tada u službi – 'Saturn V' – mogla da smesti samo oko 120 tona u nisku orbitu, počećemo da shvatamo veličinu izazova. Da bi stvar bila zakomplikovanija, svako od ovih čudovišta bi moralo da bude trajno orijentisano prema našoj zvezdi, prkoseći plimskim silama ili pritisku solarnog zračenja, što bi zahtevalo stalno trošenje goriva. Da ne govorimo o troškovima održavanja i popravkama sistema.
Sistem SSPS Nasinog Maršalovog kosmičkog centra s početka 70-ih.
Dimenzije SSPS stanice (NASA).
Izgradnja mreže SSPS stanica zahtevala bi stotine ili hiljade lansiranja brodova tipa shuttlea tokom nekoliko decenija, kao i uspostavljanje nisko-orbitnih i geostacionarnih kosmičkih stanica. Nije iznenađujuće što je mnogim Nasinim stručnjacima bilo mnogo lakše, jeftinije i izvodljivije da razmišljaju o slanju čoveka na Mars nego da preduzmu ovu kosmičku odiseju. Činilo se kao da je SSPS projekat namenjen civilizaciji daleko naprednijoj od naše. Iako je SSPS groznica iznenada nestala potkraj 70-ih, nekoliko sličnih projekata je ipak uspelo d preživi. 2007. godine Pentagon je ponovno oživeo projekat SSPS, ovog puta koristeći nešto manje stanice – iako ne previše – težine od oko hiljadu tona. Te stanice bi koristile dva velika seta paraboličnih ogledala koja bi usmeravala svetlost na površinu galijum-arsenidnih panela s efikasnošću od 35%. Na taj način upotreba ogledala bi smanjila masu sistema i potrebu kontinuirane orijentacije čitave stanice prema Suncu.
Jedan od projekata SSPS stanice iz prethodne decenije.
U Rusiji su projekti KSES takođe bili prilično popularni, ali za razliku od SAD nikada nisu bili među prioritetima sovjetskog svemirskog programa. Možda su zato problemu pristupili na malo realniji način. Znajući da je izgradnja kilometarskih struktura u svemiru izvan trenutne tehnologije, sovjetski i ruski projekti su razmatrali orbitalna ogledala za osvetljavanje noćnih područja na Zemlji ili 'farmi' fotonaponskih panela. Takođe je proučavana mogućnost upotrebe mikrotalasnih ogledala u geostacionarnoj orbiti, što bi moglo da eliminiše potrebu za izgradnjom velikih dalekovoda, što je od velikog interesa u najudaljenijim regijama Rusije.
'Roskosmos' je nedavno ponovno pokazao zanimanje za KSES. Rusija želi da započne razvoj tehnologija kako bi ovaj izvor energije postao stvarnost, iako malo po malo. Krajnji cilj bi bio da se izgradi oko pet stanica snage oko 10 GW u geostacionarnoj orbiti veličine oko tri kilometra u prečniku. Budući da su ove stanice van budžetskih okvira današnje Rusije, idealno bi bilo prvo napraviti prototip od samo 100 kW.
Da bi prevladao poteškoće prethodnih projekata, novi ruski KSES neće da koristi džinovske čvrste strukture za održavanje oblika stanice, već će paneli ostati rasklopljeni zahvaljujući rotaciji broda. Upotreba čvrstih konstrukcija čini čitavih 50% ukupnih troškova projekta. Ne zaboravimo da Rusija ima određeno iskustvo u tim pitanjima, provodeći projekte orbitalnih ogledala 'Znamja 2' i 'Znamja 2.5' koristeći kosmičke brodove 'Progress' tokom 90-ih. Kako bi se smanjili problemi povezani s prenosom mikrotalasne energije, ruski projekat bi koristio infracrveni laser. Efikasnost konverzije energije je veća, a širenje snopa je mnogo manje. Zauzvrat, atmosferska apsorpcija je značajna, ali da bi se to smanjilo, zemaljske stanice bi se formirale u vidu dirižablova ili balona s toplim vazdihom na velikoj visini.
Kosmičko ogledalo 'Znamja 2' lansirano1993. 'Progressom M-15'. Imalo je prečnik 20 m i na Zemlji je osvetljavalo krug prečnika 5 km koji se kretao brzinom od 8 km/h.
Sistem dirižabla za primanje laserskih zraka sa elektrana (NPO Lavočkin).
U ovom projektu ruske svemirske agencije 'Roskosmos' učestvovali su kosmički centri 'Keldiš' i 'CNNIImaš', kao i kompanije NPO 'Lavočkin' i RKK 'Energíja'. Prema tadašnjim studijama 'CNIImaš', do 2017. godine bilo je potrebno ulaganje od najmanje deset milijardi rubalja za izgradnju prototipova zemaljskog i svemirskog segmenta programa.
Iskreno ne mislim da će ruska vlada ovom projektu ikad više dodijeliti jednu rublju (ruski kosmički program ima druge prioritete, a Rusiji baš i ne nedostaju izvori energije), barem u ovoj deceniji, ali zanimljivo je da je san o stanicama SSPS / KSES još uvek na snazi, iako u obliku preliminarnih studija. Ipak, ne gubimo nadu. Možda se jednog dana ostvari san o neograničenoj Sunčevoj energiji.
Predlog kineske akademiji orbitne elektrostanice. Ako im je verovati stanica će proraditi do 2025. a gigavatna verzija će biti lansirana do 2050. Problem je što će stanica biti teža od ISS.
[1] To je velika vrednost: 2 kalorije u minutu po kvadratnom santimetru. Prost računa kaže da čitava naša planeta prima oko 1,7×1017 W, ali oko 35% biva reflektovano nazad u kosmos. Ostalih ~65% biva apsorbovano: ~14% od atmosfere a ~51% sama površina. Tih 51% zrači u kosmos u formi Zemljinog zračenja: 17% direktno zrači u komos, a 34% apsorbuje atmosfera (19% u procesu kondenzacije, 9% kroz konvekciju i turbulenciju i 6% kroz direktnu apsorbciju). 48% energije koju apsorbuje atmosfera na kraju biva izračena nazad u kosmos.
Približni računi kažu da Zemljani godišnje troše oko 165.000 TW energije a od Sunca dobijaju oko 175.000 TW! Znači da kad bi bilčo volje i kad bi umeli imali bi svi besplatnu energiju i čistu planetu!
[2] Naravno, reč 'konstanta' ne treba doslovno shvatiti, jer vrednost varira tokom godine za oko 7% zbog menjanja udaljenosti Zemlje od Sunca, ali se od dana do dana ne razlikuje više od 0,1%.
[3] Opisuje odnos između energije koju Zemlja prima od Sunce i energije koju Zemlja zrači nazad u kosmos uz pomoć klimatskog sistema koji čine voda, led, atmosfera, kamenita kora i sav živi svet.
, 
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
