Jul 28, 2016

Let oko sveta bez kapi goriva

Solarni impuls 2
U vreme nastajanja ovog teksta avion “Solarni impuls 2” kojim upravlja kapetan Bertran Pikar započeo je poslednju deonicu puta koja treba da kompletira čitav krug oko planete. Let od Kaira do Abu Dabija, mesta u kome je ova epska avantura i započela, trebalo bi da traje između 2 i 3 dana. Etapa nije nimalo jednostavna: poletanje je obavljeno noću a zbog turbulencija koje se očekuju tokom rute, avion će često morati da leti na preko 10.000 metara visine što znači da će pilot skoro neprekidno morati da nosi masku sa kiseonikom. Osim toga, vazduh iznad užarene pustinje nešto je ređi nego u drugim delovima sveta tako da će elise motora morati da se okreću brže kako bi obezbedile neophodan potisak. Sve to može da utiče na brzinu kojom se pune i prazne baterije. Kako trenutno stvari stoje, ipak nema razloga za brigu. Prva faza poslenje etape protekla je mirno a avion se trenutno nalazi iznad Saudijske Arabije nadomak Persijskog zaliva. Dan je sunčan, baš kako treba.

Do sada je ovaj avion koji ne nosi klasično gorivo već leti koristeći isključivo energiju sunca preleteo više od 30.000 kilometara. Put oko sveta započet je 9. marta prošle godine i od tada se projekat više puta nalazio na ivici propasti, poslednji put tokom etape od Japana do Havaja. Iako je let od 7.200 kilometara oborio sve dotadašnje rekorde za avione na solarni pogon, problemi sa instrumentima i pregrejanim baterijama naterali su posadu i kontrolu leta da prizemlje avion na deset meseci kako bi se obavile neophodne popravke i sačekale povoljnije vremenske prilike.

Piloti Bertran Pikar i Andre Bošberg
Iza projekta koji je začet pre sedamnaest godina stoje dva čoveka, Bertran Pikar i Andre Bošberg, koji se iz etape u etapu smenjuju za komandama aviona. Obojica su istovremeno i avanturisti i poslovni ljudi i teško je reći šta im od toga više leži. “Ljudi će vam često reći da je nešto nemoguće. Nas upravo takve stvari motivišu”, kaže Pikar, “i zato pozdravljam sve one koji veruju u snagu snova, koji žele da nam se pridruže u  istraživanju života”. Da sve nije prazna priča uverili smo se još 1999. godine kada je Pikar obleteo čitav svet u balonu “Brajtling Orbiter” bez ijednog usputnog sletanja tokom leta koji je trajao čitavih 20 dana. Let se umalo završio nesrećom na samom kraju jer je Pikar potrošio praktično sve rezerve goriva i samo zahvaljujući srećnom spletu okolnosti uspeo je da se meko prizemlji u Egiptu.

Jedan krug oko panete očigledno nije predstavljao dovoljnu dozu adrenalina za Pikara i on je vrlo brzo počeo da razmišlja o još jednom. Iako energetski efikasan, let balonom ipak je zahtevao gorivo. Da bi balon mogao da leti, vazduh u njemu mora da bude ređi od okoline a to se postiže njegovim zagrevanjem, obično sagorevanjem propana. Pikar je priznao da mu je stalna briga oko utroška goriva i preostalih rezervi predstavljala najzamorniji i najdosadniji deo poduhvata. Let oko sveta bez kapi goriva predstavljao je logičan korak dalje. Balon je zamenjen avionom i tako je nastao “Solarni impuls” u verzijama 1 i 2.


Iako je sunčeva energija sveprisutna i besplatna njeno efikasno i ekonomski opravdano korišćenje i dalje predstavlja ogroman izazov za inženjere. Sunčeva svetlost toliko je “rasuta” da zahteva velike instalacije kako bi se mogla prikupiti, pretvoriti u neki drugi oblik i upotrebiti za “nešto veće” (u to ne spada kalkulator lokalnog kasapina sa četiri računske operacije koji “radi na svetlo”).  U tu svrhu “Solarni impuls 2” koristi panel sastavljen od 17.248 foto-električnih ćelija tankih kao vlas kose koje pretvaraju svetlosnu energiju Sunca u električnu energiju (ove ćelije ne treba brkati sa solarnim panelima na krovovima primorskih kuća i hotela koji služe isključivo za zagrevanje vode). Kako bi avion mogao da leti noću i tokom loših vremenskih prilika, generisana električna energija skladišti se u masivne litijum-jonske baterije nalik na one iz mobilnih telefona. Solarne ćelije razmeštene su duž čitave gornje površine krila i imaju ukupnu površinu od oko 270 m2. Krilo je toliko vitko da njegov raspon (72m) prevazilazi onaj koji ima “Boing 747” (69m).

U svakom drugom pogledu, “Solarni impuls” je pravi “komarac”. Težak je svega 2.300 kilograma a ukupna snaga četiri motora sa elisama prečnika 4 metra jedva da prelazi 40 kilovata što je manje od snage motora malog gradskog automobila. I brzina je sasvim primerena: maksimalna iznosi  140 km/h, brzina dnevnog krstarenja je oko 90 a noćnog oko 60 km/h (noćne brzine su manje kako bi se akumulatori praznili sporije). Za ovako trom avion čak i kratke relacije predstavljaju ozbiljan izazov i traže neprekidnu koncentraciju tokom dugog vremenskog perioda. Da bi avion uopšte mogao da poleti, konstrukcija je olakšana i istanjena do te mere da čak i male promene vremenskih prilika mogu da predstavljaju neočekivanu opasnost. Štedelo se i na komforu: avion može da ponese samo pilota koji je smešten u prostor veličine kabine omanjeg lifta. Iako je upravljanje avionom u priličnoj meri automatizovano, kontrola je neophodna tako da pilot, čak ni tokom višednevnih letova, ne sme da drema duže od 20 minuta u kontinuitetu.

Facebook dron
Slučajno ili ne, praktično u isto vreme, još jedan solarni avion vinuo se nebu pod oblake u nameri da se upiše u istoriju. Na zvaničnom blogu “Fejsbuka” upravo je objavljena vest da je solarni avion “Akvila” (“Orao” na latinskom), čiju je konstrukciju sponzorisala navedena kompanija, upravo obavio prvi uspešan probni let iznad Jume u Arizoni. Premijeri još jedne letelice na solarni pogon prisustvovao je i osnivač “Fejsbuka” Mark Zakerberg koji se, očigledno, neće smiriti dok i poslednji stanovnik planete ne bude uredno “ufejsbučen”.  A da bi dostigao ovaj cilj biće mu potrebno da uz milijardu i po postojećih korisnika ove društvene mreže namakne bar još toliko novih.
Neke procene govore da u svetu postoji preko 4 milijarde ljudi koji i dalje nemaju adekvatan pristup internetu. Od toga preko milijardu njih živi u pasivnim i ruralnim zonama koje nisu pokrivene signalom mobilne telefonije. Tamo najčešće ne postoje ni minimalni tehnički preduslovi koji bi omogućili izgradnju internet infrastrukture na ekonomski isplativ način uobičajen u urbanim zonama razvijenih zemalja.

Zakerbergova ideja je da simultanim korišćenjem velikog broja jefitnih letelica na solarni pogon dovede internet u domove što većeg broja ljudi. Letelice će biti umrežene a za brz prenos podataka koristiće se laserski zraci, toliko precizno kontrolisani da mogu da pogode petoparac na rastojanju od dvadeset kilometara.  U poslednjem koraku prenosa, solarna letelica će slati podatke na zemlju koristeći radio-tehnologiju slučnu onoj koju danas koristimo za bežični prenos podataka.
U odnosu na “Solarni impuls”, “Orao” je značajno manji i bar četiri puta lakši (težina ne prelazi 500 kilograma, pre svega zahvaljujući korišćenju super-laganih i ultra-čvrstih kompozitnih materijala, pri čemu na baterije otpada polovina ukupne težine). Raspon krila je i dalje impozantan  (veći od onog koji ima “Boing 737”), ali letelica nema pilota tako da njom sa zemlje upravlja tuce inženjera različitih profila. Jedino su poletanje i sletanje u potpunosti automatizovani što i nije mali uspeh s obzirom da su ovi delovi leta po pravilu najrizičniji. Letelica je toliko lagana i delikatna da može da ostane u vazduhu zahvaljujući motorima čija ukupna snaga ne prelazi 5 kilovata. Čak i sa tako malom snagom, avion je u stanju da dostigne brzinu od 120 kilometara na čas na većim visinama.

I to je tek početak. Namera Zakerberga je da od letelice koja je tokom premijernog leta ostala u vazduhu jedva sat i po napravi nebesku krstaricu koja će biti u stanju da u vazduhu ostane mesecima, i to na visinama od preko 20 kilometara gde je uticaj oblaka i drugih atmosferskih prilika sveden na minimum. Proračuni pokazuju da jedna takva letelica može brzim internetom da pokrije preko 100 kilometara teritorije iznad koje se nalazi.

Sa tehničke i finansijske strane, Zakerberg ima sve uslove da uspe. Ako je ono što je Zakerberg zamislio makar i teoretski moguće, nema sumnje da će to biti i realizovano. “Fejsbuk” se već hvali kako su njegovi inženjeri  korišćenjem laserskih zraka uspeli da ostvare brzinu prenosa od 100 gigabita u sekundi na rastojanju od preko 15 kilometara. Kad neko ne zna šta da radi sa novcem i nema problema da u svoje redove privuče i adekvatno plati najbolje inženjere iz najjačih američkih avio-kompanija, sve izgleda jednostavno i dostižno. Reklo bi se da kompanija ovim poduhvatom pokušava da se čitavom svetu nametne ne samo kao obavezna socijalna mreža već i kao sinonim za internet i za sve usluge koje se na njemu mogu naći.

Sa poslovne strane, sve je, međutim, poprilično nejasno. “Fejsbuk” je dostigao tačku u sopstvenom razvoju kada se od njega očekuje da pravi pare i vrati novac investitorima, što kroz visoku cenu akcija, što kroz bogate dividende i nije jasno kako se ideja o brzom internetu za od boga zaboravljene zabiti Zimbabvea i Mozambika uklapa u taj plan. Solarna tehnologija je sve samo ne jeftina, čak i kada je koristite u zemaljskim uslovima, a ako vam padne na pamet da je vinete u stratosferu, troškovi postaju astronomski.

Osim toga, “Fejsbuk” se već jednom opekao pokušavajući da velikim državama “proda” svoje filantropske ideale. Nedavno je Indija odbila “Fejsbukov” predlog da se u toj zemlji realizuje projekat pod nazivom “Besplatne osnove” koji bi milionima Indusa omogućio da se povežu na internet korišćenjem mobilne mreže bez ikakvih troškova. Indijske vlasti ocenile su da bi “Fejsbuk” time zauzeo dominantno mesto na tržištu internet usluga što se kosi sa tržišnim principima i anti-monopolskim propisima.

Guglov komunikacioni balon
Postoje i druge kompanije koje imaju slične ideje a najdalje u njihovoj realizaciji odmakao je “Gugl” čiji  projekat “Loon” (“šašavko”) ima sličan cilj – da dovede internet u svaki kutak zemljine kugle. “Gugl” kaže da je ime za projekat pažljivo izabrano: “Samo šašav čovek može da se nada da na internet poveže još 4 milijarde ljudi”. Umesto solarnih aviona “Gugl” namerava da koristi balone postavljene visoko u stratosferi na oko 20 kilometara iznad zemlje koji sa predajnicima na tlu komuniciraju koristeći postojeće mobilne tehnologije kao što su 3G i 4G. Na velikim visinama strujanja u atmosferi su neuporedivo manja nego pri tlu i “Gugl” tvrdi da je u stanju da precizno upravlja pozicijom balona isključivo kontrolom njegove visine. Reklo bi se da “Gugl” u odnosu na Fejsbuk ima značajnu početnu prednost: već je obezbedio ugovore sa nekoliko država a najveći je onaj koji je sklopljen sa Indonezijom koja ima preko 17.000 slabo ili nikako povezanih ostrva. Štaviše, “Gugl” može da se pohvali da je već uspešno demonstrirao svoju tehnologiju u celini: prvi korisnik “interneta iz balona” postao je jedan novozelandski seljak iz okoline Krajstčerča koji je do skoro morao da plaća 1.000 dolara mesečno za korišćenje satelitskog interneta.

Koji su stvarni dometi ovakvih poduhvata? Hoće li se obistiniti predviđanja Bertrana Pikara koji je ubeđen da će kroz deset godina nebom krstariti avioni na sunčev pogon sposobni da na kratke i duže relacije ponesu od 10 do 50 putnika? Pikar ovde sigurno vidi i svoj poslovni interes jer mu se nakon velikog uspeha “Solarnog impulsa” otvaraju brojne mogućnosti da dobro unovči svoje znanje i stečeno iskustvo. Iako su mnoge početne teškoće uspešno prevaziđene, one najveće i dalje ostaju. Čak i da akumultori bez kojih je solarni avion nezamisliv postanu neuporedivo lakši, čak i da pronađemo način da unapredimo efikasnost solarnih ćelija i svedemo gubitke energetske konverzije na nulu, opet ostaje činjenica da se iz jednog kvadratnog metra solarnog panela ne može izvući više od jednog kilovata električne energije. Solarni avioni koji bi bili u stanju da ponesu ozbiljan teret morali bi da imaju toliko velika krila da bi prema njima i Airbus 380, najveći putnički avion na svetu, izgledao kao vrabac. Čak i da je konstrukcija toliko velikog solarnog aviona moguća, ostaje pitanje na koji aerodrom bi takva grdosija mogla da sleti.

To opet ne znači da su solarni avioni slepa ulica rezervisana za marginalne avanturiste i investitore koji mole da ih neko oslobodi viška para. Naprotiv! Čak i da sve ostane na tehničkom nivou koji je “Solarni impuls” već dostigao, mogućnosti su neslućene. U bliskoj budućnosti ovakve letelice u vazduhu će moći da ostanu nedeljama, mesecima, možda i godinama, a polje moguće upotrebe veoma je široko: kontinuirano osmatranje terena, telekomunikacioni servisi, naučna istraživanja i merenja, rano upozoravanje u slučaju prirodnih katastrofa... Postoje ideje da se ovakve letelice iskoriste i za izučavanje Venere i Marsa: obe planete poseduju atmosferu i dovoljno Sunčeve svetlosti za funkcionisanje solarnih ćelija.

Iako mi ubrzano stižemo razvijene evropske zemlje, BDP i stopu rasta da i ne pominjemo, Srbija nekim čudom još uvek nema solarni “vazduplohov”, kamoli avion, ali ima nameru da se uključi u svetske trendove korišćenja solarne energije. Ministarka Zorana Mihajlović potpisala je u oktobru 2012. godine ugovor sa kompanijom “Securum Equity Partners” o izgradnji solarne elektrane snage hiljadu (!) megavata. Nikome nije zasmetala činjenica da solarna elektrana takve kolosalne snage u to vreme nije postojala nigde u svetu, pa ni tamo gde sunce ume da sija mnogo jače i upornije nego ovde. Za izgradnju takve elektrane potrebno je bar 3.000 hektara zemljišta, Vlada je ponudila deset puta više a investitor prihvatio deset puta manje. Ceo posao neslavno je propao pre nego što je i počeo a uvređeni investitor najavio je odštetni zahtev od 160 miliona dolara.

Kasnije smo se “prizvali pameti”, zbacili “nenarodnu vlast” (iako smo ministarku sačuvali za neke nove, jednako vredne poslove kao što je BgH2O) i počeli da ulažemo u solarne kapacitete primerene našim sirotinjskim mogućnostima. Prva solarna elektrana otvorena je blizu Beočina na površini od 2.5 hektara u jesen 2014. godine a druga na površini od 4.5 hektara u Kladovu, krajem iste godine. Čista energija iz ovih izvora (čija se ukupna snaga meri megavatima) bar pet puta je skuplja od one najjeftinije iz termoelektrana. Međutim, izgradnja ovakvih kapaciteta predstavlja nešto što moramo da uradimo kako bismo ispoštovali međunarodne obaveze o procentu obnovljivih izvora energije u ukupnoj energetskoj potrošnji.

Sve u svemu, iako su nam ambicije ogromne, naš početak više je nego skroman. Sunce kod nas i dalje služi samo da pravi vrućinu i ništa više.

Kako ukrotiti Sunce

Svaki zrak (foton) Sunčeve svetlosti koji dopire do nas začet je duboko u Sunčevom jezgru gde se, na temperaturi od oko 15 miliona kelvina odvija proces termo-nukelarne fuzije. Ovim imenom fizičari nazivaju proces u kojem se laka atomska jezgra spajaju (fuzionišu) u teža. U svakoj sekundi naše Sunce transformiše 620 miliona tona vodonika u helijum oslobađajući pritom ogromnu količinu energije, prvenstveno u vidu gama-zraka. Emitovani fotoni bivaju brzo apsorbovani od strane okolne materije a zatim ponovo emitovani, svaki put sa sve manjom energijom i sve većom talasnom dužinom. S obzirom da su putanje ovih fotona haotiče i da je rastojanje između mesta emitovanja i apsorpcije veoma kratko, potrebne su stotine godina da energija generisana u Sunčevom jezgru stigne do fotosfere, površinskog sloja Sunca. Od te tačke pa do Zemlje Sunčeva svetlost pređe 150 miliona kilometara kroz prazan kosmički prostor za samo 8 minuta.

Termo-nuklearna fuzija koja se odvija na Suncu je samoregulišuća: ako bi kojim slučajem proces dobio na intenzitetu, pritisak u Sunčevom jezgru bi porastao, Sunce bi se neznatno uvećalo, što bi opet snizilo pritisak u jezgru i usporilo fuziju. Proces se na isti način ponavlja već 5 milijardi godina manje-više konstantnim intenzitetom i trajaće bar još toliko pre nego što vodonično gorivo bude potpuno iscrpljeno. Tokom čitavog tog perioda Sunce lagano evoluira. U njegovom jezgru gomilaju se produkti fuzije (tzv. “helijumski pepeo”) tako da se nuklearna reakcija pomera ka spoljašnjim slojevima Sunca gde još uvek ima vodonika. Usled toga veličina Sunca se povećava a njegov sjaj raste. Kroz otprilike milijardu godina Sunce će biti 10% sjajnije nego danas, što će biti sasvim dovoljno da izmeni klimu na Zemlji na način koji će onemogućiti svaki život na njoj.

Energija Sunca nastaje u skladu sa takozvanim “defektom mase” – generisani helijum ima nešto manju masu od početne mase vodonika pri čemu je nedostajuća masa zamenjena energijom, u skladu sa čuvenom Ajnštajnovom formulom E=mc2 po kojoj su masa i energija ekvivalentni. Oslobođena energija je kolosalna ali kada se ona podeli sa čitavom zapreminom Sunca, doći ćete do prilično iznenađujućeg zaključka: Sunce nije naročito efikasna “mašina” i jedan njegov kubni metar ne bi mogao da pokreće ni sijalicu od 100 vati.

Iako smo još kao klinci naučili da bojimo Sunce u žuto, bela boja mnogo bolje odslikava pravu prirodu Sunčeve svetlosti. Prividno crvena, žuta ili narandžasta nijansa Sunca izazvana je rasipanjem dela Sunčeve svetlosti u atmosferi, obično u jutarnjim ili večernjim časovima. U stvarnosti, Sunčeva svetlost predstavlja mešavinu svetlosni raznih boja pri čemu samo jedan njen deo pripada vidljivom delu spektra. Na ultraljubičastu svetlost otpada nešto manje od 10%, na infracrvenu nešto više od 50% a na onu vidljivu koju opisujemo bojama i nijansama svega 40%. Interesantno je da unutar vidljivog dela spektra najdominantnije učešće ima svetlost zelene boje.

Na zemlji maksimalna snaga Sunčeve svetlosti iznosi nešto više od jednog kilovata po kvadratnom metru. Naizgled puno (par osunčanih kvadrata može, teoretski, da zameni veliku termo-akumulacionu peć), ali tu energiju nije lako sakupiti, ukrotiti i pretvoriti u neki upotrebljiviji oblik. Uz to, snaga Sunca je promenljiva i zavisi od atmosferskih uslova, oblačnosti i doba dana. Solarni paneli koji pretvaraju energiju Sunca u toplotnu energiju relativno su jednostavni i pristupačni i koriste se za zagrevanje vode skoro svuda gde ima dovoljno sunčanih dana. Mnogo skuplji i složeniji su paneli sastavljeni su od velikog broja foto-električnih ćelija koje Sunčevu energiju pretvaraju u električnu energiju. Svaka ćelija u suštini predstavlja jednu poluprovodničku diodu koja pod dejstvom Sunčeve svetlosti proizvodi električnu struju. Ove ćelije često se nazivaju i “elegantnim mašinama” jer je konverzija energije iz jednog u drugi vid direktna, bez ikakvih pokretnih delova.

Foto-električni efekat na kojem se rad solarnih ćelija i danas bazira prvi je opisao Bekerel 1839. godine. Solarne ćelije imaju praktičnu primenu već više od pola veka a višestruko su usavršene u poslednjih dvadesetak godina. Poseban značaj imaju i za istraživanje kosmosa gde predstavljaju standardan izvor energije za svemirske stanice i kosmičke sonde sve do Marsove pa čak i Jupiterove orbite. Na svetskom nivou danas se oko 1% električne energije proizvede u solarnim elektranama koje postoje u više od 100 zemalja. U pogledu obima korišćenja, energija Sunca nalazi se na trećem mestu, odmah iza energije vode i vetra. Iako je napredak u korišćenju Sunčeve energije nesporan, ostaje još dosta prostora za dalja poboljšanja. Pre svega, solarne ćelije imaju ograničenu efikasnost. Maksimalni do sada dostignuti stepen iskorišćenja Sunčeve energije ne prelazi 45%, ali su takve solarne ćelije još uvek u eksperimentalnoj fazi. Prosečan stepen iskorišćenja u solarnim ćelijama koje su najzastupljenije na tržištu varira od 12% do 18% a svaki procenat preko toga može da multiplicira ukupne troškove.

Današnje savremene solarne elektrane obično koštaju oko dolar po vatu generisane električne energije. Kako tehnologija poluprovodnika bude dalje napredovala, tako će se i ova cena smanjivati pa će solarne elektrane postajati sve atraktivnije. Na žalost, i dalje postoje prepreke koje nije lako preskočiti: uzmite, na primer, jedan prosečan automobilski motor čija je snaga 80 kilovata. Ako taj motor poželite da zamenite električnim motorom na solarni pogon čiji je stepen efikasnosti zavidnih 20%, biće vam potreban solarni panel od barem 400 kvadratnih metara, čak i veći ako ne želite da se ograničite isključivo na vožnju Saharom u podne. Ako širinu tog panela ograničite na širinu automobila (dva metra), solarni panel bio bi dugačak 200 metara. Sad zamislite taj panel na krovu automobila i pokušajte da ga parkirate na bilo koje mesto manje od aerodroma… Zato su solarni automobili još uvek u ranoj eksperimentalnoj fazi i veliko je pitanje hoće li ikada ući u masovnu upotrebu.

Vreme #1334

Marsijanske hronike

Reč “Marsovac” prvi put se pojavila 1877. godine u Americi i Engleskoj u novinskim tekstovima posvećenim otkriću dva Marsova satelita, Fob...