Den lovande solenergin
Ett stort antal speglar är riktade mot ett litet område på ett 60 meter högt ”krafttorn”. Det kan alstra mer värme än 1.000 solar och kan uppnå temperaturer på 2.300 grader Celsius.
I EN tid av energibrist har det knappast gått någon obemärkt förbi att solen är en aldrig sinande energikälla, som låter välsignelsebringande ljus och värme flöda ner över hela den bebodda jorden. Den ger jorden en jämn och behaglig medeltemperatur. Solen ger energi till växtligheten och därmed till allt liv. Dessa välsignelser är så självklara att många tar dem för givna.
Men på många områden, där solens strålning inte är direkt användbar, har vi kommit att bli beroende av andra former av energi. Om dessa andra energikällor sinade, skulle det då vara möjligt att värma upp våra hem och fabriker med strålarna från solen? Skulle vi på något sätt kunna omvandla solstrålarna till att ge elektricitet åt våra lampor, åt driften av våra motorer och åt våra radio- och TV-apparater? Skulle vi kunna bevara solens energi i bränsletankarna på våra bilar och flygplan?
Dessa möjligheter är nu föremål för allvarligt övervägande. I många laboratorier bedriver vetenskapsmän grundforskning om olika sätt på vilka man kan utnyttja solens energi. Det är inget tvivel om att möjligheterna finns. Enbart de solstrålar som faller på ett 25 kvadratkilometer stort område i Arizona i USA innehåller lika mycket energi som alstras av alla kraftstationer i Förenta staterna tillsammans. Vilka är då problemen?
Det första problemet vi ställs inför är att solljuset i sig självt är utspritt. Vilken som helst solfångare av begränsad storlek tar emot en relativt liten mängd energi. Men för vissa ändamål är även denna utspridda energi tillräcklig. Hus som är byggda för att ta till vara solljuset kan fånga upp tillräckligt med värme för att spara mycket av det bränsle som går åt till uppvärmning av ett hus. Vatten kan i cisterner på taket värmas upp tillräckligt mycket för att kunna användas till bad, disk eller tvätt.
En annan av solenergins begränsningar är att den inte alltid finns tillgänglig när vi behöver den. Den stängs av vid solnedgången. Moln utestänger också energin från solen. Solljusets intensitet, antalet ljusa timmar på dygnet och antalet dagar med mulet väder varierar alltsammans med breddgraden och årstiderna. Solenergins användbarhet kommer i många fall att bero på om man finner sätt att lagra energin medan solen skiner för att sedan kunna använda den på natten eller under molniga dagar.
Ett enkelt sätt att lagra solenergi är att under dagen värma upp vatten och förvara det i isolerade cisterner för att sedan använda det på natten. Man kan också låta det heta vattnet cirkulera genom värmeelement för att värma upp huset. Under dagar med dåligt väder måste ett sådant system kompletteras med energi från en annan källa. Men det används redan som ett hjälpsystem i uppvärmning av hus för att minska behovet av gas eller elektricitet.
Förutom denna elementära användning finns det mer avancerade sätt att använda solvärmen. Genom att koncentrera solstrålarna är det möjligt att nå mycket högre temperaturer. Vem har inte med hjälp av ett förstoringsglas fokuserat solens strålar på en bit papper och sett hur papperet började pyra och fattade eld? Den här principen är tillämplig i stor skala. Man använder då buktade speglar för att koncentrera solens strålar till ett litet område, så att det upphettas till bländande vitglödgning, vilket är tillräckligt hett för att smälta de mest eldhärdiga material. I en sådan solugn i södra Frankrike är en ångpanna monterad i brännpunkten för att alstra elektricitet, som levereras till landets kraftnät. Tillverkarna erbjuder sig att sälja solkraftanläggningar med en kapacitet på 1.000 kilowatt.
Ett mera komplicerat system av det här slaget har byggts i närheten av Albuquerque i New Mexico i USA för att undersöka om det är ekonomiskt möjligt att i full skala driva kraftverk av det här slaget. Ett stort antal speglar är riktade mot ett litet område på ett 60 meter högt ”krafttorn”. Varje spegel är 1,2 meter i kvadrat, och 25 speglar är monterade i en fyrkant på en ”heliostat”, dvs. ett instrument som med hjälp av ett urverk kan följa solens rörelse. Då solen rör sig över himlen, måste heliostatens lutning anpassas efter solens rörelse för att hålla de reflekterade solstrålarna koncentrerade mot måltavlan. Det finns 222 sådana heliostater utsatta i en triangel på ett fält norr om tornet. Heliostaterna datastyrs var för sig i enlighet med deras avstånd från tornet och placering i förhållande till det.
När alla strålar samtidigt är fokuserade mot tornet, är allt solljus som faller på ett 8.000 kvadratmeter stort område koncentrerat till en fläck på 0,5 kvadratmeter. Värmen, som är som från mer än tusen solar, når en temperatur på 2.300 grader Celsius. Experiment har visat att de reflekterade strålarna snabbt smälter hål på en stålplåt.
Sedan man gjort försök med en ångpanna i tornet, planerar man att bygga ett solkraftverk med en kapacitet på 10.000 kilowatt i Barstow i Kalifornien i USA. Detta solkraftverk kan kanske så tidigt som år 1981 anslutas till kraftledningsnätet i södra Kalifornien.
Elektricitet från solljuset
Under tiden arbetar andra vetenskapsmän mot det långsiktiga målet att direkt förvandla solljus till elektricitet. Själva principen är inte ny. Vi har i flera år använt anordningar grundade på den fotoelektriska effekten. En fotocell i en kamera anger till exempel den korrekta bländaröppningen att använda för ljusstyrkan på det motiv som är framför kameran. Ljuset alstrar en svag elektrisk ström, vilken flyttar en nål på mätaren. Att få detta att fungera i en sådan skala att man kan få ström som kan uträtta lämpligt arbete är en överväldigande uppgift, men den ställer stora belöningar i utsikt.
Hur kan ljus alstra elektricitet i en fotocell? Hemligheten ligger i användningen av ett halvledarmaterial. Ett ämne som är en god ledare, vilket de flesta metaller är, har sina elektroner mycket löst bundna till atomerna. Elektroner som rör sig fritt kan leda ström. I isolatorer är elektronerna fast bundna till sina banor och kan inte röra sig fritt. Halvledarna är ett mellanting; elektronerna är visserligen bundna, men inte fastare än att bara en liten stöt kommer att frigöra dem så att de kan röra sig fritt omkring.
Rent kisel är en dålig ledare. Men föroreningsämnen eller störämnen i små mängder gör det till en mycket bättre ledare. En liten mängd av till exempel ett sådant ämne som arsenik, som har fem elektroner i det yttre skalet, dvs. en mer än vad kisel har, förser kristallen med fria elektroner. Små mängder bor, ett ämne som har bara tre elektroner i det yttre skalet, orsakar däremot en brist i kristallen. De felande elektronerna kallas hål. En annan elektron från en intilliggande atom kan lätt hoppa in i hålet, och effekten blir densamma som om hålet rörde sig och en ström gick igenom.
Det första slaget av förorenat kisel kallas kisel av n-typ, eftersom det har ett överskott på elektroner (negativt laddade). Det andra slaget kallas p-typ, eftersom det har ett överskott på hål (positivt laddade). Tillsammans bildar dessa olika slag av kisel en n-p-övergång. Elektroner kommer att strömma i bara ena riktningen — genom övergången. Detta utgör grundvalen för transistorn, vilken har ersatt gårdagens skrymmande elektronrör med dagens tunna kiselskivor.
Antag att vi tar två skivor — en av n-dopat kisel och en av p-dopat kisel — och lägger dem tillsammans. I stället för transistorskivan har vi nu en solcell. Om denna solcell utsätts för solljus, absorberas den energi som finns i fotonerna — de enskilda partiklarna av solljuset — och tjänar till att frigöra elektroner från kiselatomerna. Om cellens två sidor är förbundna och bildar en krets, kommer elektronerna att strömma från n-sidan till p-sidan. Den elektriska strömmen kan sättas i arbete. Detta är elektricitet alstrad från solljuset.
Inte all energi i solljuset kan omvandlas till elektricitet. Energin i en foton av solljuset varierar från 1,5 till 3,0 elektronvolt, allteftersom färgen på ljuset varierar från rött till violett. Men det går åt bara omkring 1,0 elektronvolt till att frigöra elektronen i kiselkristallen. Resten av energin går alltså förlorad i form av värme. Den maximala teoretiska verkningsgraden hos en ensam kiselcell är omkring 22 procent. Den högsta verkningsgraden hos hittills tillverkade solceller är omkring 15 procent. Man hoppas på att genom kombination av olika slag av halvledarämnen i flera skikt kunna omvandla så mycket som 50 procent av energin i solljuset.
Användning av solceller
Solceller som alstrar elektricitet har redan fått en viktig plats i den moderna teknologin, när det gäller att förse rymdfarkoster med energi. De är idealiskt lämpade för att användas på detta sätt. På färder mellan planeter är de hela tiden fullt belysta av solen (när de kretsar runt planeter får de solljus under mer än hälften av tiden). De blir inte skuggade av några moln och inte heller utsatta för piskande regn eller vind. Kostnaderna för dessa solceller är inkluderade i budgeten för rymdforskning.
Vi finner alltså att det mest framträdande draget i silhuetten av rymdlaboratoriet Skylab eller rymdfarkosten Viking, som gick till Mars, är de stora utsträckta vingarna med solceller. Solkraftcellerna har visat sig vara pålitliga och hållbara. Två år efter det att kretsaren Viking hade landat på Mars alstrade dess kraftanläggning fortfarande 600 watt. Att kraftanläggningen klarade av denna krävande uppgift gör den verkligen värd att satsa på. Den minutiösa noggrannhet som krävs och de mycket höga kostnader som är förbundna med att tillverka solceller, så att de garanterar sådan hög kvalitet, kan man kosta på en rymdfarkost som Viking. Men man kommer att bli tvungen att minska den nuvarande kostnaden för tillverkning av solceller med mer än 95 procent för att göra dem ekonomiskt attraktiva för elproduktion på jorden. Detta kan tyckas förlägga utsikten till elektricitet från solenergi långt fram i tiden, men de stora kostnadsminskningarna som har skett på andra halvledarprodukter inger hopp om snabbare framgångar. På många laboratorier bedriver man intensiv forskning för att göra tillverkningen av solceller billigare. Entusiastiska förespråkare för solenergin hävdar att solen skulle kunna tillgodose 20 procent av Förenta staternas energibehov omkring år 2000.
Att alstra elektricitet från solljuset skiljer sig i ett avseende markant från många andra sätt att alstra elektricitet. Elproduktionen går att modulera, dvs. den grundläggande produktionsenheten är en enda liten modul. För att få mer energi förenar man helt enkelt flera moduler. Så förhåller det sig inte med elektricitet alstrad genom ångkraft. Det krävs nämligen stora kol- eller oljeeldade anläggningar för att alstra billig elkraft. Detta gäller också kärnkraften, och det kommer i högsta grad att gälla fusionskraften. Men de lovande utsikterna är att elektricitet från solenergi kommer att vara lika billig från små anläggningar som från stora.
Detta leder till den utmanande frågan: Skulle det kunna bli möjligt att avskaffa de omfattande kraftledningsnäten som är nödvändiga i det nuvarande energisystemet? Framtidens kraftverk kommer kanske att bli mera ett projekt för varje enskilt samhälle eller kvarter eller kanske till och med avpassat för ensligt belägna hus. Den här tanken är oroande för dem som har organiserat elproduktionen kring enorma regionala eller till och med landsomfattande ledningsnät. Man kan förstå att industriföretagare, som känner ett hot mot sina omfattande investeringar i det nuvarande energisystemet, knappast skulle ge entusiastiskt stöd åt en sådan revolutionerande uppfinning. En del hävdar att om dessa industriföretagare inte bromsade, skulle solenergin kunna utvecklas snabbare.
Andra fördelar med elektricitet alstrad direkt från solenergi är mycket tilltalande. Solenergin kommer att vara ren, pålitlig och fri från buller. Det finns inga rörliga delar och ingenting man behöver byta ut. Den är lätt att använda. Den orsakar ingen förorening. Energitillförseln är kostnadsfri och lika förnybar som solljuset är från den ena dagen till den andra. Är det att undra på att den så lovande solenergin driver dess förespråkare till att höja sina röster för att alla ansträngningar inriktas på ett tidigt förverkligande av solenergin?
[Infälld text på sidan 6]
Det solljus som faller på en 25 kvadratkilometer stor yta i Arizona i USA innehåller lika mycket energi som alla kraftstationer i Förenta staterna producerar
[Infälld text på sidan 7]
Entusiastiska förespråkare för solenergin hävdar att solen skulle kunna tillgodose 20 procent av Förenta staternas energibehov omkring år 2000
[Infälld text på sidan 7]
Fördelar med elektricitet alstrad direkt från solenergi: ingen förorening, inget buller, inget som slits ut och en kostnadsfri energitillförsel som är lika förnybar som solljuset är från den ena dagen till den andra
[Ruta på sidan 8]
Solenergi från rymden
Det mest häpnadsväckande av alla uppslag för att tillvarata solljuset och omforma det till elenergi är ett som skulle kunna härröra från en ”science-fiction”-film. Ett stort antal solpaneler med en totalyta på så mycket som 50 kvadratkilometer skulle monteras ihop uppe i rymden. Denna energiupptagande station skulle kretsa över jorden på en höjd av 36.000 kilometer, där den skulle stanna kvar över en bestämd punkt på ekvatorn. Energin från solkraftsatelliten skulle med en mikrovågsstråle överföras till en på marken belägen mottagarantenn, som skulle kunna behöva uppta ett område på 50—100 kvadratkilometer. De 5 millioner kilowatt som kan produceras skulle vara nästan tillräckligt för staden New York. Detta förslag erbjuder en klar fördel framför jordbundna solfångare. Rymdkraftstationen skulle kunna vara i gång 24 timmar om dygnet, och mulet väder skulle varken hindra energiupptagningen eller störa överföringen genom mikrovågor.
Men en sådan enorm anläggning ligger ännu utanför förmågan hos rymdålderns teknologer. Det skulle kosta många milliarder kronor att utveckla och bygga de nödvändiga raketerna och transportera utrustningen och arbetarna ut i rymden. Och man kan undra om mikrovågor som kommer vid sidan om mottagarstationen skulle kunna utgöra en fara för människorna som bor i närheten av den. Man kan också undra vilken inverkan mikrovågsstrålningen skulle ha på jonosfären och vädret och på radio- och TV-överföringen. Astronomer klagar över att dessa ljusstarka föremål på himlen skulle sätta stopp för deras utforskning av den avlägsna rymden, eftersom denna forskning förutsätter att himlen är mörk. Energiverkschefer skulle kunna vara gynnsamt inställda till det här förslaget, eftersom människor fortfarande kommer att vara beroende av deras distributionssystem.
Men om man kunde lagra energi över natten, skulle man nog föredra att få solenergin direkt från solen, då den skiner på ens hus, och slippa denna komplicerade och konstlade omväg. Och när solsatelliter äntligen blir en verklighet, kan det redan vara möjligt att med solceller, som täcker en så liten yta som 3 kvadratmeter på hustaket, fånga upp den energi som behövs för att tillgodose ett hushålls energibehov.