Den lovende solkraft
En hær af spejle er rettet mod samme punkt på et over 60 meter højt „krafttårn“. Der kan opstå en varme som svarer til varmen fra over 1000 sole. Temperaturen kan nå op på over 2300 grader celsius
I ENERGIMANGELENS tid er det ikke gået ubemærket hen at solen udgør en aldrig svigtende energikilde der med gavmild hånd lader hele den beboede jord nyde godt af lys og varme. Den bevarer en tålelig gennemsnitstemperatur på jorden. Den giver energi til plantevækst, og derfor til alt liv. Disse goder er så åbenbare at mange efterhånden tager dem for givet.
Men vi er også blevet afhængige af andre energiformer til mange formål hvor solens stråler ikke direkte dækker behovet. Hvis disse energikilder efterhånden udtømmes eller svigter, vil det da være muligt at opvarme boliger og fabrikker med solkraft? Kan man omdanne solens stråler så de på en eller anden måde giver elektricitet til belysning og til drift af motorer, radioer og fjernsynsapparater? Og kan solenergien lagres i tanke, så den kan bruges som brændstof for biler og flyvemaskiner?
Det er spørgsmål der nu overvejes alvorligt. På mange laboratorier er videnskabsfolk ved at udføre grundlæggende forskning om hvordan solenergien kan udnyttes. Der er ingen tvivl om at denne energi rummer store muligheder. Man har i USA regnet ud at den solenergi der tilføres et område på blot 26 gange 26 kilometer i Arizona, er lige så stor som al den elektricitet der fremstilles på alle amerikanske kraftværker tilsammen. Hvori består problemerne da?
Det første problem man kommer ud for, er at sollyset i sin natur er diffust. En solfanger af begrænset størrelse modtager kun en begrænset mængde energi. Men til visse formål er selv denne diffuse energi tilstrækkelig. Bygninger der er indrettet til at fange solens lys, kan optage tilstrækkeligt med varme til at spare en hel del brændstof til opvarmning. I tanke på taget kan vand opvarmes til det bliver varmt nok til brusebade, opvask og tøjvask.
Endnu en begrænsning ved solkraft er at den ikke altid er der når vi gerne vil have det. Ved solnedgang bliver der slukket. Også skyerne tager noget af solens kraft. Lysets intensitet, antallet af dagslystimer og antallet af timer med overskyet vejr er alt sammen noget der varierer med breddegrad og årstid. Til mange formål vil solkraftens værdi afhænge af at man finder nogle metoder til oplagring af energi når solen skinner, så man kan bruge den om natten eller når det er overskyet.
En simpel metode til oplagring af solenergi er at opvarme noget vand om dagen og holde det varmt i nogle isolerede tanke til brug om natten. Det varme vand kan også føres gennem et radiatorsystem til rumopvarmning. Når vejret er dårligt må et sådant system suppleres med energi fra en anden kilde. Men mange steder bruges det allerede som et tilskud til opvarmningen og medvirker til at spare på gas, olie eller elektricitet.
Man kan også gå videre og benytte mere avancerede metoder til udnyttelse af solens varme. Ved at koncentrere solens stråler kan man komme op på langt højere temperaturer. Hvem har ikke prøvet at sætte et stykke papir eller celluloid under et forstørrelsesglas der kunne samle solens stråler i et brændpunkt, og set hvordan materialet pludselig begynder at svides og brænde? Det samme princip anvendes i større målestok, idet man ved hjælp af buede spejle samler solens stråler i et hvidglødende brændpunkt der smelter selv de stoffer der vanskeligst lader sig smelte. I Sydfrankrig har man en sådan solovn med en kedel monteret i brændpunktet; her frembringes elektricitet som tilføres det almindelige el-net. Fabrikanten tilbyder solkraftværker med en kapacitet på 1000 kilowatt.
Et mere omfattende anlæg af den art er blevet bygget i nærheden af Albuquerque i New Mexico, USA. Hensigten med dette er at studere muligheden for økonomisk udnyttelse af denne type kraftværker i større målestok. En hær af spejle er rettet mod samme punkt på et over 60 meter højt „krafttårn“ De kvadratiske spejle måler 1,20 meter på hver led, og 25 af disse er monteret i et kvadratisk mønster på en „heliostat“. Efterhånden som solen bevæger sig hen over himmelen, må heliostaten drejes, så den følger solens bane og kan holde strålerne rettet mod målet. Der er anbragt 222 af disse heliostater som et trekantet felt nord for tårnet. De styres hver for sig uafhængigt af en datamat, i overensstemmelse med afstand og retning.
Når alle disse spejle er rettet mod tårnet, vil alt det lys der falder på 0,8 hektar, koncentreres på et område der kun fylder en halv kvadratmeter. Denne varme, der svarer til varmen fra 1000 sole, når op på 2300 grader celsius. Ved de indledende forsøg brændte heliostat-strålerne hurtigt hul i en stålplade.
Efter at man nu har foretaget forsøg med en vandkedel i krafttårnet, har man planer om at bygge et solkraftanlæg med en kapacitet på 10.000 kilowatt; det skal stå ved Barstow i Californien, hvor det kan tilsluttes el-nettet i det sydlige Californien, måske allerede i 1981.
Fra solskin til elektricitet
I mellemtiden arbejder andre forskere mod et mere langsigtet mål: at omdanne solskin direkte til elektricitet. Der er ikke noget nyt i selve princippet. Man har i mange år benyttet sig af den såkaldte fotoelektricitet i forskellige apparater. Lysmåleren i et fotografiapparat er for eksempel en lille fotocelle der måler motivets lysstyrke og fortæller hvilken blændeåbning der skal benyttes. Lyset fremkalder en svag elektrisk strøm, der sætter en viser på en skive i bevægelse. At forstørre denne effekt så den bliver til en brugbar kraftkilde, er en kolossal opgave — men hvis den løses vil den føre store fordele med sig.
Hvordan kan det i øvrigt lade sig gøre at lys fremkalder elektricitet i en fotocelle? Hemmeligheden ligger i brugen af de såkaldte halvledere. I et grundstof der er en god elektrisk leder, som de fleste metaller, er elektronerne meget løst forbundet til selve atomet. De bevæger sig frit, og er derfor strømførende. I de såkaldte isolatorer, stoffer der ikke er elektriske ledere, er elektronerne fastholdt i deres kredsløb, og de kan ikke bevæge sig frit. Halvlederne er en mellemting; elektronerne er ganske vist bundet, men ikke særlig fast, så et lille stød kan befri dem så de kan bevæge sig frit omkring.
Rent silicium er en dårlig leder. Små mængder af urenheder kan imidlertid gøre det til en langt bedre leder. For eksempel vil et ganske ringe indhold af grundstoffet arsen betyde at der tilføres frie elektroner til krystaller, idet arsen har fem ydre elektroner, mens silicium kun har fire. En smule af stoffet bor, som kun har tre ydre elektroner, vil derimod medføre en „mangel“. De manglende elektroner kaldes huller. Fra et nærliggende atom kan en elektron let springe ind i dette hul, så der opstår en virkning som om hullet flytter sig, og en positiv strøm bevæger sig.
Ved den førstnævnte form for „urent“ silicium taler man om n-type, fordi der heri findes overskydende elektroner (som er negative). Ved den anden form taler man om p-type, fordi der her findes overskud af elektronhuller (og stoffet derfor er positivt). Hvis flader af disse to former for silicium sættes mod hinanden, opstår der en såkaldt p-n-overgang. Det er en slags elektrisk ensretter, idet elektronerne kun kan bevæge sig i den ene retning ved denne overgang. Dette princip er grundlaget for transistoren, der har erstattet de store radiorør fra tidligere tider med små siliciumkomponenter.
Hvis man nu tager et stykke n-silicium og et stykke p-silicium og sætter de to sammen, har man faktisk en lille solcelle. Hvis denne udsættes for lys fra solen, vil energien i fotonerne (de enkelte lyskvanter, små „pakker“ med lys) blive optaget, og den vil frigøre elektroner fra siliciumatomerne. Hvis de to sider af denne celle bliver forbundet så der dannes et kredsløb, vil elektronerne strømme fra n-siden til p-siden. Denne elektriske strøm kan udnyttes. Det er altså elektricitet dannet af solens lys.
Det er dog ikke al energien i solskinnet der kan udnyttes til elektricitet. Energien i en foton varierer fra 1,5 til 3,0 elektronvolt, svarende til spektralfarvernes variation fra det røde over mod det violette. Men der kræves kun omkring 1,0 elektronvolt til at frigøre en elektron i siliciumkrystallet, så den overskydende energi går tabt i form af varme. Den maksimale udnyttelse man i teorien kan opnå ved hjælp af en enkelt siliciumcelle, ligger på omkring 22 procent. Den højeste udnyttelsesgrad man indtil nu er nået op på, er cirka 15 procent. Man håber dog at kunne nå op på en effektivitet på 50 procent i udnyttelsen af solstrålernes energi, idet man prøver at kombinere halvledere af forskellige grundstoftyper i serier på flere lag.
Anvendelse af solceller
Solcellerne har allerede skaffet sig en betydningsfuld plads i den moderne teknologi, alene fordi de udnyttes til rumfartøjernes kraftforsyning. Til dette formål er de helt ideelle. I rumrejser mellem planeterne er fartøjerne konstant udsat for direkte sollys (og i et planetkredsløb har de solskin over halvdelen af tiden). Der er ingen skyer for solen, og de generes heller ikke af regn eller vind. Og omkostningerne går ind under det samlede rumforskningsbudget.
Det mest iøjnefaldende træk ved Skylab eller ved Viking-rumfartøjerne, der blev sendt til Mars, var derfor det store solfang. Solcellerne har vist sig at være pålidelige og holdbare. Kraftanlægget i Viking-rumfartøjet producerede stadig væk 600 watt to år efter ankomsten til Mars. Den har klaret dette krævende hverv på en måde der virker som en god anbefaling for anlægget. Den omhu og ødselhed man har ofret for at gøre solcellerne så funktionsdygtige, kan man tillade sig på et projekt som Viking-projektet. Men hvis solcellerne skal have nogen økonomisk interesse med henblik på elkraft til brug på jorden, må prisen helt ned på en tyvendedel eller mindre. Det kunne se ud til at solkraftens udnyttelse derfor lå langt ude i fremtiden, men i betragtning af hvor billige andre halvlederkomponenter er blevet, kan man håbe på at det ikke behøver at vare så længe. På mange laboratorier arbejder man ihærdigt på at finde automatiske fremstillingsprocesser der kan gøre solcellerne billigere. Begejstrede tilhængere påstår at solen måske ved år 2000 vil kunne levere 20 procent af al energi der skal bruges i for eksempel USA.
Denne form for solkraft har endnu et kendetegn der adskiller den tydeligt fra mange andre måder at producere elektricitet på. Den bygger på en fast enhed, et modul, nemlig solcellen. Hvis man vil have mere strøm, tilføjer man blot flere moduler. Det gælder ikke den elektricitet der fremstilles ved hjælp af dampkraft. Der skal et meget stort kraftværk til for på økonomisk måde at skaffe kraft ved afbrænding af olie eller kul. Det samme gælder kernekraft, og i allerhøjeste grad ved fusionskraft. Men den elektricitet der skaffes fra solen, ser ud til at kunne blive lige så billig i lille målestok som i stor målestok.
Dette rejser et udfordrende spørgsmål: Kunne man måske en dag blive fri for det vidt forgrenede ledningsnet der er nødvendigt i dag? Måske vil fremtidens kraftværk være et lokalt anlæg, eller måske endda husstandens eget anlæg. Denne tanke virker ikke tiltrækkende på dem der har baseret kraftforsyningen på store regionale eller landsdækkende kraftværker med komplicerede højspændingsnet til fordeling. Man forstår at industriledere der har investeret meget i det nuværende system, ikke er vildt begejstrede for så radikal en fornyelse. Hvis der ikke blev holdt igen af disse årsager, ville solkraften kunne udvikles langt hurtigere, hævder nogle.
Der findes andre klare fordele ved den direkte solelektricitet, som gør den attraktiv. Den er ren, støjfri og pålidelig. Den har ingen bevægelige dele, og ingen dele der slides. Den er ganske enkel at udnytte. Den er forureningsfri. Dens tilførsel af „råstof“ er gratis og lige så pålidelig som solopgangen hver morgen. Man forstår hvorfor disse lovende udsigter får solenergiens fortalere til at kræve at man sætter alle sejl til for snart at kunne udnytte denne energi fuldt ud.
[Ramme på side 8]
Solenergi fra rummet
At hente elektrisk kraft ned fra rummet til brug på jorden — det lyder måske som en idé fra en science fiction-film. Men det har faktisk været overvejet. Et kæmpemæssigt arsenal af solpaneler, med en samlet overflade på 50 kvadratkilometer, skulle stykke for stykke sendes ud i rummet og samles derude. Rumkraftværket skulle sættes i kredsløb 36.000 kilometer oppe, hvor det skulle gøres stationært over et punkt ved jordens ækvator. Kraften fra dette anlæg skulle sendes ned til jorden via mikrobølger, der skulle opfanges af en jordantenne med en diameter på 10 kilometer. Værket skulle kunne frembringe fem millioner kilowatt, hvilket er nok til for eksempel byen New York. Forslaget rummer én tydelig fordel fremfor solfangere på jorden. Rumkraftværket kunne fungere døgnet rundt, og selv om det blev overskyet på jorden, ville hverken opsamlingen eller overførelsen af energi ved hjælp af mikrobølger blive generet af dette.
Men det ligger ikke inden for vore teknologiske muligheder i dag at bygge så stor en konstruktion. Det ville koste milliarder af kroner at udvikle de nødvendige raketter og transportere materialer og arbejdshold ud i rummet. Man tænker også uvilkårligt på om mikrobølgerne måske kunne udgøre en fare for mennesker der boede nær modtageranlægget. Hvilken virkning ville det i øvrigt få på ionosfæren, på vejret og på radio- og TV-kommunikationen? Astronomer indvender desuden at disse lysende genstande på himmelen ville sætte en effektiv stopper for deres udforskning af rummet; dertil skal man nemlig bruge en mørk himmel. Fra kraftværkernes side ville man måske være gunstigt stemt for dette forslag, da det ville indebære at deres fordelingsnet stadig skulle bruges.
Men hvis man kunne oplagre energien natten over, ville man måske foretrække at hente solkraften direkte fra solen når den skinner på ens eget hus, og undgå denne besværlige omvej. Hvis solsatellitterne en dag blev en realitet, ville man sikkert i mellemtiden have udviklet muligheden for at opsamle tilstrækkeligt med solenergi til brug i boligen, blot ved hjælp af solfangere på tre kvadratmeter på taget.