Kes meist ei unistaks puhtast ja rohelisest tulevikust? Hoolimata inimkonna pingutustest, põrkame alatasa ühe ja sama probleemi otsa – kuidas leida meie igapäevatoimetuste käigushoidmiseks elektrienergiat, mis ei saastaks keskkonda, oleks jätkusuutlik ning pidevalt saadaval. Pole saladus, et inimkonna energiatarve aina kasvab. Vajadus uute ja keskkonnasõbralike energiaallikate leidmiseks muutub seega päev-päevalt aina olulisemaks, kirjutab Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur Taavi Raadik.

Palju räägitakse päikeseenergiast, mis on kahtlemata üks paremaid lahendusi. Sellelgi on aga omad puudused, nagu sõltuvus öö ja päeva vaheldumisest ning ilmast. Üks võimalus oleks viia päikesepargid pilvedest kõrgemale, päikesele võimalikult lähedale, lausa kosmosesse, kus on päikest alati ning elektri tootmist ei sega ka halb ilm. Tuleb välja, et selle peale on teadlased ja visionäärid mõelnud juba ammustel aegadel. Nii lähedal selle teoks saamisele kui tänapäeval, pole aga maailm varem kunagi olnud.

Esimest nägemust kosmosesse nn päikeseparkide paigaldamiseks esitleti juba üle 100 aasta tagasi. Nii võib öelda, et see juhtus lausa kosmose-eelsel ajastul. Nimelt pakkus Vene teoreetik ja kosmosereiside prohvet Konstantin Tsiolkovski 1923. aastal välja kontseptsiooni paigaldada kosmosesse suured peeglid, mis suunaks koondatud päikesekiirgust kiirena maa peale.

Kosmonautikateoreetiku arvutuste kohaselt oleks selleks vaja olnud umbes 10 m² suurust peeglit. Selline lahendus pidi 10 tassi kohvi keema ajama kahe minutiga. Sealjuures tegi Tsiolkovski ka järelduse, et uudse kohvivalmistamise viisi juures võib tõsiseks probleemiks osutuda halb ja pilvine ilm.

Järgmine visionäär, kes unistas päikeseparkide rajamisest kosmosesse, ning sellest ka kirjutas, oli tuntud ulmekirjanik Isaac Asimov oma 1941. aastal ilmunud lühijutustuses "Mõtleja". Asimovi kirjeldatu oli tänapäevasele kosmoseelektrijaama kontseptsioonile üsna lähedal. Tema nägemuses muundati päikesekiirgus elektrienergiaks, mis omakorda konverteeriti mikrolaineteks ja suunati seejärel maapinnal olevatele tarbijatele.

Võrreldes Tsiolkovski plaaniga oli tema visioon tunduvalt ilmastikukindlam. Mikrolainete levimisele ei avalda halb ilm kuigi suurt mõju. Tähelepanuväärne Asimovi idee juures oli seegi, et päikesepaneelid ise olid veel lapsekingades. Esimesed kaubandusvõrgust ostetavad päikesepatareid tulid turule alles 13 aastat hiljem. Mikrolainetega said tavainimesed läbi mikrolaineahju tuttavaks veidi varem, aastal 1947.

Nüüd jõuamegi tänapäevaste kosmoseelektrijaamade juurde, mille isaks võib pidada Tšehhi juurtega NASA inseneri Peter Glaserit. Aastal 1968 töötas Glaser välja esimese päikeseelektrijaama kontseptsiooni, mille patenteeris ta 1973. aastal. Projektis mängis keskset rolli orbiidil olev satelliiti, mida katsid elektrit tootvad päikesepatareid. Genereeritud elektrienergia konverteeritakse tema kava kohaselt mikrolaineteks ja suunatakse saatjatega Maale, kus vastuvõtja omakorda mikrolained tagasi elektrienergiaks muundab ja selle võrku suunab.

Peale Peter Glaseri visiooni väljatulekut pakkusid teadlased 1970. aastatel kosmoseelektrijaamadeks välja veel suurel hulgal erinevaid lahendusi. Alati jõuti aga ühe ja sama probleemini – nimelt tehnoloogia ei olnud veel valmis end majanduslikult ära tasuma.

Kosmosesse olnuks vaja ehitada vähemalt kilomeetrise läbimõõduga megastruktuurid, katta need päikesepatareidega, ehitada maapealsed vastuvõtujaamad ja töötada välja tehnoloogia energia läbi õhu tuhandete kilomeetrite kaugusele saatmiseks. Päikesepargi asukohta oleks olnud vaja kontrollida ülimalt täpselt ja kõik selle komponendid toimetada geostatsionaarsele orbiidile. Nende Maast ligi 36 000 kilomeetri kaugusele viimiseks puudus tol ajal veel vajalik võimekus.

Vaatamata tagasilöökidele on kosmoseelektrijaamu puudutavaid uuringuid sellest ajast saati tehtud veelgi. Aastate lõikes on huvi nii kasvanud kui ka kahanenud. Praeguseks oleme jõudnud taas laineharjale. Oma roll selles on Euroopa pingutustel saada kliimaneutraalseks, misläbi on kosmoseelektrijaamade ehitamise plaanid taas päevakorda tõusnud. Vajalikud tehnoloogiad on aja jooksul tohutult edasi arenenud. Nii on ka nende teoks tegemine jõudnud aina käegakatsutavamasse tulevikku.

Kosmoseelektrijaamade kasuks räägib mitu asjaolu:

• väljaspool Maa atmosfääri on päikesekiirguse intensiivsus 30–40 protsenti suurem kui atmosfääris, mis võimaldab toota samalt alalt tunduvalt rohkem elektrienergiat;
• kosmoses on võimalik energiat toota sõltumata aasta- või kellajast;
• kosmoseelektrijaamast on võimalik suunata energia erinevatesse maailma punktidesse, kus seda kõige enam vaja peaks minema.

Kosmoseelekrijaamade rajamiseks parimate lahenduste leidmiseks pingutavad üheskoos ülikoolide teadlased, riiklikud kosmoseagentuurid ja ettevõtted. Kosmoseelektrijaama katselisele tõestusele on jõudnud kõige lähemale California Tehnikaülikool. Möödunud aastal õnnestus CalTechil saata Maa lähiorbiidile päikeseelektrijaama põhikomponente sisaldav satelliit. Sellega õnnestus demonstreerida enamikke vajalikke protsesse, nagu energia tootmist, mikrolaineteks konverteerimisest, kosmoses ülekandmist ja Maale saatmist.

CalTechi eksperimendi eesmärk oli demonstreerida kosmose-päikeseelektrijaama kontseptsiooni võimalikkust väikeses skaalas. Päris elus kosmoses paiknema hakkavad struktuurid oleks kilomeetrise läbimõõduga ja nende mass ulatuks tuhandete tonnideni. Täismõõdus päikeseelektrijaamade kavanditest on enim kõlapinda leidnud Briti ettevõtte International Electric Company arendatav projekt Cassiopeia, endise NASA inseneri John Mankins pakutud SPS-Alpha ja Šveitsi ettevõtte Astrostromi GEO-LPS.

Cassiopeia põhiidee seisneb suurtes peeglites. Nendega suunatakse päikesekiirgus heeliksi kujuliselt asetsevatele päiksepatareidele, kuhu on integreeritud antennid energia edastamiseks. SPS-Alphal on sarnane ülesehitus. Päikesekiirgust suunatakse tuhandete üksikult kontrollitavate peeglitega päiksepatareidele, mis on integreeritud samuti seadistega energia edastamiseks Maale.

Omaette lahenduse on välja pakkunud Astrostom oma GEO-LPS süsteemiga. Seal asetsevadpäikesepatareid nn liblika tiibadel ehk V-kujuliselt tugistruktuuridel, mille läbimõõt ulatub kilomeetrini. Inspiratsiooni selle kontseptsiooni disainimisel said ettevõtte insenerid ennast päikese käes soojendavast liblikast. Päikesepatareidesse on eelpool kirjeldatud lahendustele sarnaselt mikrolainete saatmiseks antennid sisse paigaldatud.

Paljude tehnoloogiliste kitsaskohtade lahendamine on ilmselt vaid aja küsimus. Eelkõige puudutab see päikesepatareisid, juhtmevaba energiaülekannet ja megastruktuuride kokkupanekut kosmoses. Kõige suurem pudelikael seisneb siiski komponentide kohale viimises.

See takerdub rakettide võimekuse taha. Ühe kosmoseelektrijaama, näiteks 1,8-gigavatise võimsusega SPS-Alpha konstrueerimiseks oleks vaja 362 lendu Elon Muski hiljuti peaaegu eduka lennu teinud raketiga Starship. Piltlikult tähendaks see aasta läbi iga päev ühte lendu, tehes pisikese pausi vaid jaanipäeval ja jõulupühadel. Raske on ette kujutada, kui suure ökoloogilise jalajälje jätaks sellise hulga materjali orbiidile viimine meie loodusele.

Ent nagu teadsid juba vanad eestlased: kus häda kõige suurem, seal abi kõige lähem. Täpsemalt tasub otsida abi 384 400 kilomeetri kaugusel asuvalt Kuult, mis asub kosmilisel skaalal meile väga lähedal. Tallinna Tehnikaülikooli teadlased, Euroopa Kosmoseagentuur ning Šveitsi ettevõte Astrostrom töötavad parasjagu välja kava ja tehnoloogiat, et ehitada kosmose-päikeseelektrijaamu Kuu peal seal leiduvatest ressurssidest.

Tehnikaülikooli teadlaste roll ettevõtmises on suunatud kitsamalt päikesepatareidele ja nende tootmisele. Päikesepatarei valgust neelava kihi materjaliks on valitud rahvakeeli kassikuld ehk püriit, keemilise valemiga FeS₂.

Tegemist on vägagi paljulubava materjaliga. Teoreetiliselt saab püriidist päikesepatareiga muuta kasulikuks elektrienergiaks neljandik sellele langevast valgusest. Ühe ruutmeetrise püriidist päikesepatarei võimsus oleks kosmoses teoreetiliselt 344 vatti. Eelpool kirjeldatud kontseptsiooni ära tasumiseks piisaks juba 6,7-protsendise kasuteguriga püriit-päikesepatareist. Selle võimsus peaks olema vähemalt 91 W/m².

Mis aga põhiline, rauda ja väävlit leidub Kuul piisavas koguses. Kui esimese puhul polnud juba varem kahtlust, siis teise elemendi ehk väävli olemasolu kinnitati möödunud aastal. India kuukulgur Chandrayaan-3 leidis augustis Kuu väävlit lõunapooluse pinnases.

Tallinna Tehnikaülikoolis päikeseenergeetika materjalide teaduslaboris arendatakse monoterakiht-päikesepatarei-tehnoloogiat, mis on antud ettevõtmise jaoks väga sobilik. Tegemist on täiesti erineva lähenemisega tavapärastest räni või õhukesekileliste päikesepatareide valmistamise meetoditest. Monoterakiht-tehnoloogia puhul koosneb päikeseelement väikestest mikrokristallidest läbimõõduga 50 mikronit, moodustades umbes kolmandiku juuksekarva läbimõõdust. Iga väike kristall käitub eraldiseisva päikeseelemendina.

Iga üksiku kristalli toodetav elektrienergia hulk on väga väike. Kuna moodulis on neid aga miljoneid, saab kokku täiesti arvestatava hulga. Välimuselt meenutab monoterakiht-päikeseelement liivapaberit, lisaks sellele on see kerge, painduv ja poolläbipaistev. Seejuures on mooduleid võimalik toota tõhusalt nn roll-to-roll tehnoloogiaga. Põhimõtteliselt pole piire ees ei moodulite kujul ega suurusel.

Monoterakiht-päikesepatareide peamine eelis teiste päikesepatareide tehnoloogiate ees seisneb selles, et mikrokristalle saab toota moodulist eraldi. Kristallide kasvatamiseks pole vaja ka keerukaid ja kalleid seadmeid. Kõik need eelised pälvisid Euroopa Kosmoseagentuuri tähelepanu ja sellest kasvas välja uurimisprojekt antud tehnoloogia rakendamise võimalikkusest Kuul.

Teine, vähem oluline komponent päikeseelektrijaama juures on selle struktuur, mille kallal töötab Astrostrom. Nende nägemuse kohaselt on võimalik kõiki vajalike elemente valmistada Kuul kohapeal leiduvatest materjalidest.

Enne kui saame kohapeal päikeseelektrijaamasid valmistama hakata, on vaja sinna kõigepealt transportida Maal valmistatud erinevad tehaste moodulid. Neid läheb tarvis regoliidi rikastamiseks ja sealt vajaliku toorme kätte saamiseks. Tehasemoodulit on vaja ka basaldist fiibrite valmistamiseseks, millest ehitatakse päikeseelektrijaamale kandestruktuurid.

Muidugi on Kuule vaja ka tehast päikesepatareide valmistamiseks Kuu regoliidist. Tootmisprotsess algaks kõigepealt regoliidi kaevandamisest robotitega, mis suunaks kaevandatud regoliidi rikastustehasesse. Seal eraldatakse vajalikud komponendid päikesepatareide valmistamiseks, basaltfiibrite ning metallstruktuuride jaoks. Kui vajalikud komponendid on valmistatud, transporditakse need kas rakettidega või kosmoseliftiga Maa ja Kuu esimesse Lagrange punkti, kus kosmoseelekrijaam kokku pannakse.

Tegemist on ühe kohaga kosmoses, kus Maa, Kuu ja Päikese gravitatsioonilised mõjutused on täpselt tasakaalus. Seeläbi kulub kosmilise elektrijaama orientatsiooni ja asukoha säilitamiseks oluliselt vähem energiat.

Peale päikeseelektrijaama ehitamist oleks võimalik megastruktuuri kasutada näiteks kuumissioonide elektrivajaduse katmiseks. Selleks kaaslase pinnal olevate päikesepaneelide kasutamine on keerukas, sest öö kestab kuul kaks nädalat. Teise võimalusena saaks orbitaaljaama saata Maa geostatsionaalsele orbiidile, et hakata energiat planeedile saatma.

Kahtlemata ei ole tehnoloogia ka tänapäeval veel päris valmis kosmoseelektrijaama koheseks tööle panekuks. Kuskilt peab aga alustama. Tänapäevane energiaturg on piisavalt suur ja võimalusterohke, et asi tasuks ette võtta.

Maailmas on tehtud kosmose-päikeseelektrijaamade kohta kaks sõltumatut tasuvusanalüüsi. Suurbritannias asuva Franze-Nash Consultingu ja sakslaste ettevõtte Roland Bergeri hinnangute kohaselt oleks esimese kosmose-päikeseelektrijaam käiku laskmiseks vaja investeeringut suurusjärgus 10–16 miljardit eurot. Rajatav jaam suudaks toota elektrienergiat hinnaga 49–156 eur/MWh, mis on praeguste elektrihindade juures üsnagi konkurentsivõimeline.

Kõige entusiastlikumad stsenaariumid ennustavad sedasorti kosmose-päikeseelektrijaamade kasutuselevõttu 2040, aastaks. Meile teadlastele ja ettevõtetele avab see vapustava võimaluse uute tehnoloogiate ning teadmiste arendamiseks ning - siirdeks. See kiirendaks muu hulgas nii uut tüüpi päikesepatareide arendust, juhtmevaba elektrienergia ülekande, küberturvalisuse, megastruktuuride ehitamise kui ka robootika vallas tehtavat arendustööd.

Video Tallinna Tehnikaülikooli ja Astrostromi kontseptsioonist

Lisaks eelnevale on Kuust kujunemas nii-öelda uus Uus Maailm. Ajalugu räägib enda eest, mis juhtus peale viimase suure maailmajao Ameerika avastamist. See andis uue hingamise nii Vanale Maailmale kui ka kujutas kasvupinda maailma praegu suurima mõjuvõimuga riigile. Aastal 2021 ilmunud PricewaterhouseCoopers´i (PwC) uuringu põhjal kasvab Kuuga seotud tulevase majanduse suurus 2040. aastaks 143 miljardi euroni.

Praegu on ilmaruumis umbes 5500 Starlinki satelliiti. Neist igaühte varustab energiaga hinnanguliselt kuue kilovati jagu päikesepaneele. See teeb kokku 33 MW installeeritud võimsust, mis omakorda annaks kokku juba väiksemat sorti kosmose-päikeseelektrijaama võimsuse.

Seega on Isaac Asimovi 1941. aastal kirjeldatud tulevik juba sisuliselt käes.