Αποστολή συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας από το Διάστημα στη Γη Κ. Στελακάτος, Μηχανολόγος - Ηλεκτρολόγος ΕΜΠ Περίληψη. Η υπερθέρμανση της Γης είναι πολύ δύσκολο έστω και να σταθεροποιηθεί, αφού είναι πρακτικά αδύνατο να περιορισθεί η καύσις ορυκτών καυσίμων. Η συμβολή των ΑΠΕ (Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) είναι μικρότερη του 1%. Οι προτεινόμενοι τρόποι με σκίαστρα για τον περιορισμό της προσπιπτούσης Ηλιακής ενέργειας, εκτός από το μεγάλο κόστος πιθανόν να είναι επικίνδυνα για την χλωρίδα και την πανίδα. Προτείνεται να αποσταλεί συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια από το Διάστημα στη Γη, σε επιλεγμένες περιοχές. Η πυκνότητα θα είναι πολλαπλάσια. Η συμπύκνωση γίνεται με ημιπαραβολοειδή κάτοπτρα. Η θέση του συμπυκνωτή στο Διάστημα είναι το σημείο L1 Lagrange, ή σε γεωστάσιμο δορυφόρο. Το κόστος από την υπερθέρμανση της Γης εκτιμάται σε 7 τρις $ και θα προκληθούν τεράστια κοινωνικά προβλήματα. Εάν πραγματοποιηθεί αυτή η πρόταση θα αρχίσει το τέλος της εποχής του Πετρελαίου. Η υπερθέρμανση της Γης είναι πολύ δύσκολο έστω και να σταθεροποιηθεί, αφού είναι πρακτικά αδύνατο να περιορισθεί η καύσις ορυκτών καυσίμων. Στο διάγραμμα [1] φαίνεται διαχρονικά η κάλυψη της ζήτησης ενέργειας κατά καύσιμο από το World Energy Outlook (2007). Στο διάγραμμα [2] φαίνεται η συμβολή των ΑΠΕ (Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας) κατά 13,1% από τις οποίες υδροηλεκτρικά είναι 2,2%, βιομάζα 10,6% και λοιπές (αιολική, ηλιακή ) κατά 0,5%. Όμως η βιομάζα (ξύλα, απορρίμματα) είναι αυτά που χρησιμοποιούνται στην Αφρική, Ασία, Αμερική, για να μαγειρέψουν και να θερμανθούν. Κατά συνέπεια μόνον μικρότερο του 1% απομένει για κάλυψη των ενεργειακών αναγκών από ΑΠΕ. Στο διάγραμμα [3] φαίνονται διαχρονικά οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα για διάφορα σενάρια. Με την άνοδο του βιοτικού επιπέδου αλλά και με την αύξηση του πληθυσμού σε όλη τη Γη, θα αυξηθεί ο αριθμός των αυτοκινήτων, οι μεταφορές, η ανάγκη για θέρμανση, η παρασκευή τροφών, η βιομηχανία. Όλα αυτά συνεπάγονται ότι η κατανάλωση ενέργειας θα είναι ραγδαία και θα καλύπτεται από ορυκτά καύσιμα. Για την αντιμετώπιση της υπερθερμάνσεως της Γης, μελετώνται στις ΗΠΑ τρόποι μειώσεως της προσπιπτούσης επί της Γης ηλιακής ακτινοβολίας είτε με ανάκλασή της είτε με παράθλασή της, με κάτοπτρα ή άλλους τρόπους, όπως τεράστια σκίαστρα ευρισκόμενα σε τροχιά εκτός της Γηίνης ατμοσφαίρας. Αυτά όμως εκτός από το μεγάλο κόστος, είναι επικίνδυνα για τη χλωρίδα και την πανίδα. Τα προτεινόμενα συστήματα (σύντομη αναφορά στο {1}), για τον περιορισμό της προσπιπτούσης στην Γη ακτινοβολίας, είναι δύσκολο να εφαρμοσθούν, διότι πιθανόν να έχουν αρνητική επίπτωση μη αναστρέψιμη στο περιβάλλον. Προτείνεται η Αποστολή συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας από το Διάστημα στη Γη. Η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια στέλνεται στην Γη, με την βοήθεια κατόπτρων τα οποία ευρίσκονται σε τροχιά εκτός της ατμοσφαίρας της Γης. Η παρούσα πρόταση έχει σκοπό να στέλνει σε ορισμένες περιοχές της Γης συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια δηλ. αντί του σχεδόν 1 kw/ m 2, να έρχεται στις 1
περιοχές αυτές πολλαπλάσια ισχύς (πχ 100 kw/m 2 ). Η συμπύκνωση της ηλιακής ενέργειας μπορεί να ρυθμισθεί, όπως εξηγείται στα επόμενα. Μπορεί επίσης όλη η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια να κατευθύνεται προς το διάστημα. Όταν η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια οδηγείται επάνω από συννεφιασμένη πόλη, διαλύει τα σύννεφα και θερμαίνει την πόλη. Βέβαια πρέπει να μειωθεί η συμπύκνωση της συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας ώστε να μην είναι επικίνδυνη, ή να διακοπεί η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια, όταν αυτό πρέπει να γίνει. Επίσης είναι δυνατόν να κατευθυνθεί σε ανεμοστροβίλους και να τους διαλύσει. Η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια μπορεί να οδηγηθεί σε κάποια ερημική περιοχή της Γης όπου είναι εγκατεστημένα συστήματα μετατροπής της σε άλλη μορφή ενέργειας, πχ ηλεκτρική ενέργεια, υδρογόνο, θερμό νερό για τηλεθέρμανση πόλεων κλ. Αυτά θα μηδενίσουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και ρύπων. Η χρησιμοποίηση της ηλιακής ενέργειας με την ισχύ του 1 kw/ m 2 επί της Γης για την μετατροπή της σε ηλεκτρική με φωτοβολταϊκά κύτταρα απαιτεί μεγάλη επιφάνεια κυττάρων και μεγάλο κόστος. Εάν όμως φθάσει συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια τότε η επιφάνεια και το κόστος θα μειωθούν σημαντικά (πχ στο 1/100), ενώ συγχρόνως θα παραχθεί ατμός κατά την ψύξη των κυττάρων. Για παραγωγή ατμού από ηλιακή ενέργεια απαιτούνται κάτοπτρα μεγάλου μεγέθους με μηχανισμούς προσανατολισμού, ενώ εάν φθάσει συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια δεν απαιτούνται επίγεια κάτοπτρα. Για τη παραγωγή υδρογόνου απ ευθείας από την ηλιακή ενέργεια υπάρχει η εφεύρεση Hydrosol, η οποία απαιτεί συγκεντρωτικό κάτοπτρο με μηχανισμό προσανατολισμού, ενώ εάν φθάσει συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια δεν απαιτείται κάτοπτρο. Η παρούσα πρόταση παρέχει την δυνατότητα παραγωγής διαφόρων μορφών ενέργειας, στις περιοχές όπου οδηγείται η συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια, τόση ώστε να καλύψει τις ανάγκες μίας χώρας, αλλά και ολόκληρης της Γης, χωρίς την καύση ορυκτών καυσίμων. Στα επόμενα τα συστήματα αυτά για λόγους συντομίας θα αναφέρονται Συμπυκνωτής. Περιγραφή του Συμπυκνωτού Ο Συμπυκνωτής αποτελείται από ένα ημιπαραβολοειδές κάτοπτρο που λαμβάνει την ηλιακή ακτινοβολία (κάτοπτρο συλλογής) με διαστάσεις της τάξεως 1000 Χ 1000 μέτρα και ένα ημιπαραβολοειδές κάτοπτρο πολύ μικροτέρων διαστάσεων (κάτοπτρο συμπυκνώσεως) που στέλνει την ενέργεια στη Γη. Τα δύο αυτά κάτοπτρα έχουν την ίδια εστία και τον ίδιον άξονα. Με αυτά επιτυγχάνεται συμπύκνωση της ηλιακής ενέργειας. (Τα παραβολοειδή κάτοπτρα έχουν την ιδιότητα όταν δέχονται δέσμη παραλλήλων ακτίνων φωτός να την συγκεντρώνουν στη εστία, αλλά και όταν υπάρχει πηγή φωτός στη εστία να ανακλούν δέσμη παραλλήλων ακτίνων.) Στο σχ. Ι φαίνονται δύο ζεύγη κατόπτρων. Μία ακτίνα (5) από τον Ήλιο, ανακλάται στο κάτοπτρο (1), διέρχεται από ην εστία (3), ανακλάται στο κάτοπτρο (4) και κατευθύνεται (5) στη Γη. Λόγω της πιέσεως της ακτινοβολίας, όταν οι ακτίνες έχουν την ίδια κατεύθυνση, όπως στο σχ. Ι, υπάρχει ροπή στρέψεως λόγω της εκκέντρου εφαρμογής των δυνάμεων. Για αυτόν τον λόγο χρησιμοποιούνται δύο παρόμοια κάτοπτρα που προκαλούν αντίθετη ροπή στρέψεως. Προσανατολισμός των κατόπτρων. 2
Ο κύριος άξων των κατόπτρων συλλογής πρέπει να είναι πάντοτε παράλληλος με τις ακτίνες του Ηλίου. Αυτό επιτυγχάνεται με τα πτερύγια (9) και (10) στις πλευρές του κατόπτρου, σχ.2. Τα πτερύγια (9) μετακινούν τα κάτοπτρα κατά την κατεύθυνση 0y, ενώ τα πτερύγια (10) κατά την κατεύθυνση 0z. Επί των πτερυγίων αυτών υπάρχουν φωτοβολταϊκά κύτταρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την οποίαν κινούνται τα διάφορα συστήματα μεταξύ των, αλλά και τροφοδοτούν προωθητήρες ιόντων. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν τα συστήματα προσανατολισμού και κατευθύνσεως τα οποία χρησιμοποιούνται στα διαστημόπλοια. Ο άξων του κατόπτρου συμπυκνώσεως κατευθύνεται προς την επιθυμητή προς την Γη κατεύθυνση με την βοήθεια ηλεκτρικού κινητήρα, που μετακινεί το κάτοπτρο (4) ως προς το (1). Μπορεί επίσης να μετακινηθεί η εστία του κατόπτρου συλλογής ως προς την εστία του κατόπτρου συμπυκνώσεως προκειμένου να αλλάξει η μορφή της δέσμης του αποστελλομένου φωτός. Όλα τα κάτοπτρα είναι στερεωμένα επί ενός φέροντος σκελετού (8), σχ 2, όπου στηρίζονται επίσης και ηλιακά ιστία, όπου επίσης υπάρχουν φωτοβολταϊκά κύτταρα. Το κάτοπτρο συμπυκνώσεως (4) πρέπει να στέλνει την ακτινοβολία σε ορισμένη θέση επί της Γης, άρα πρέπει συνεχώς να μετακινείται ως προς το κάτοπτρο συλλογής (1) το οποίον πρέπει να έχει σταθερή θέση ως προς τον Ήλιο. Η περιοχή επί της Γης όπου προσπίπτει η ακτινοβολία, οριοθετείται και στα όρια του πολυγώνου τίθενται συστήματα επικοινωνίας με τον Συμπυκνωτή (πχ λέϊζερ ακτίνων Χ), που κατευθύνονται προς τον Συμπυκνωτή, ο οποίος ευθυγραμμίζεται προς τα όρια της περιοχής. Με τα συστήματα πλοηγήσεως και προώσεως που διαθέτει ο Συμπυκνωτής, παραμένει στην επιθυμητή θέση και αντιμετωπίζονται τα προβλήματα που δημιουργούνται από την πίεση ακτινοβολίας, από μαγνητικά πεδία και τον ηλιακό άνεμο. Η θέση του Ρυθμιστή στο Διάστημα είναι το σημείο L1 Lagrange (μεταξύ Ηλίου και Γης). Στο σχ 3 φαίνονται τα πέντε σημεία Lagrange. Τρίτο σώμα, όπως ο Συμπυκνωτής, ευρισκόμενο στο σημείο L1 ευρίσκεται σε ασταθή ισορροπία. Λόγω όμως της πιέσεως της ακτινοβολίας και της μάζας του Ρυθμιστή, υπάρχει μεγάλη περιοχή που καθορίζεται από τις επιφάνειες β,γ,δ,ε, (σχ 4), όπου η ισορροπία είναι ευσταθής. Οι επιφάνειες του σχ 4 λέγονται τεχνητές περιβάλλουσες του σημείου L1 Lagrange {2}. Στην επιφάνεια α αντιστοιχεί μηδενική μάζα και η ισορροπία είναι ασταθής. Οι άλλες επιφάνειες προκύπτουν από την μάζα ανά μονάδα επιφανείας, δηλ η δ αντιστοιχεί σε 38,25 g / m 2 Τα κάτοπτρα μπορούν να κατασκευασθούν από μέταλλο (πχ αλουμίνιο), αλλά θα προκύψει σημαντικό βάρος, άρα και κόστος αφού η αποστολή στο Διάστημα 1 kg μάζας κοστίζει 10000 $, έχουν όμως το πλεονέκτημα της μεγάλης διάρκειας ζωής. Για τα ηλιακά ιστία υπάρχει η εμπειρία της NASA. Άλλη θέση του Ρυθμιστή στο Διάστημα είναι ως τεχνητός δορυφόρος, σε σταθερή θέση ως προς την Γη (γεωστάσιμος δορυφόρος). Σε αυτήν την περίπτωση το κάτοπτρο συλλογής (1) παρακολουθεί την κίνηση του Ηλίου, ενώ το κάτοπτρο συμπυκνώσεως (4) παραμένει σε σταθερή θέση έτσι ώστε να στέλνει την ακτινοβολία στο επιθυμητό σημείο της Γης. Το πλεονέκτημα είναι ότι ο Συμπυκνωτής ευρίσκεται πλησίον της Γης και η αποστελλομένη στη Γη δέσμη αποτελείται από παράλληλες ακτίνες. 3
Άλλη θέση του Συμπυκνωτή στο Διάστημα είναι τα σημεία L4 και L5 Lagrange, όπου η ισορροπία είναι ευσταθής. Αυτά είναι πολύ μακριά από τη Γη και πιθανόν να είναι πολύ δύσκολοι οι χειρισμοί του Ρυθμιστή. Όμως Συμπυκνωτής μεγάλου μεγέθους στα σημεία αυτά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την διάλυση επικίνδυνων μετεωριτών που ευρίσκονται σε τροχιά πλησίον της Γης. Ο Συμπυκνωτής αυτός μαζί με τηλεσκόπιο μπορεί να κατευθύνει ηλιακή ενέργεια μεγάλης ισχύος στα επικίνδυνα αυτά σώματα και να τα διαλύσει. Στην μελέτη της NASA {3} προς το Κογκρέσο των ΗΠΑ αναφέρεται τέτοιος τρόπος αντιμετωπίσεως αυτών των σωμάτων. Τάξεις μεγέθους. Το κάτοπτρο συλλογής θα έχει διαστάσεις 1000 Χ 1000 m και συλλέγει 1000 MW και στέλνει 850 MW στη Γη. Το κόστος για να τεθεί σε τροχιά είναι 8 δις $, εάν είναι από αλουμίνιο. Το κόστος πετρελαίου είναι 60$/ βαρέλι, και η αξία της ηλιακής ενέργειας είναι 250000 $ / ημέρα, και το κόστος του Συμπυκνωτή αποσβένεται σε 84 έτη. Εάν ο Συμπυκνωτής στο σημείο L1 Lagrange, όπου η ένταση της ηλιακής ενέργειας είναι 2 kw/m2, και δέχεται ενέργεια όλο το 24ωρο τότε η απόσβεση γίνεται σε 12 έτη. Η έκθεση του λόρδου Stern {4}για το περιβάλλον εκτιμά ότι το κόστος από την υπερθέρμανση θα είναι 7 τρις $ και θα επακολουθήσουν τεράστια κοινωνικά προβλήματα, αφού μεγάλες περιοχές θα καλυφθούν από τη θάλασσα και μεγάλες μάζες ανθρώπων θα μετακινηθούν αλλού. Επισημαίνεται ότι όλη η απαιτούμενη τεχνολογία είναι γνωστή. Στόχος Αδύνατος ; ; Ο πληθυσμός της Γης και το εισόδημα αυξάνονται κυρίως στην Αφρική και στην Ασία, ενώ νέες συσκευές καταναλώσεως ενέργειας και αγαθά χρειάζονται. Στόχος είναι δυνατός εάν : Ο πληθυσμός σταθεροποιηθεί Ο πληθυσμός έχει καλή παιδεία, στον Ουμανισμό και στην Δημοκρατία. Γίνεται Ανάπτυξη των επιστημών και μόνον χρήσιμων βιομηχανιών. Γίνεται ελεγχόμενη ανάπτυξη και όχι με την παρούσα νοοτροπία. Διαφορετικά θα χρειασθούν πέντε πλανήτες σαν τη Γη το έτος 2050. Σύμφωνα με αυτή τη πρότασης, όλες οι ενεργειακές ανάγκες της Γης θα καλύπτονται από τη συμπυκνωμένη ηλιακή ενέργεια από το Διάστημα, που θα κατευθύνεται σε ερήμους ή σε επιλεγμένες θέσεις. Αυτό θα είναι το τέλος της Εποχής του Πετρελαίου!! {1}Global Warming and Ice Ages. E.Teller, L.Wood, R. Hyde. 22 nd Interational Seminar on Planetary Emergencies. Erice Italy.August 20-23, 1997. {2} Solar Sails and Artificial Lagrange Orbits for Remote Sensing, Telecommunications, and Space Weather Applications. Ben I. Dietrich < ben.dietrich@noaa.gov> {3} NASA.. Near-Earth Object Survey and Deflection Analysis of Alternatives.Report to Congress, March 2007 {4}. H. M. TREASURY. Stern Review on the economics of climate change. 4
5
6