A szélenergia az Egyesült Államokban szárnyal; az ország megújulóenergia-kapacitása az elmúlt kilenc évben több mint megháromszorozódott, és a szél- és napenergia nagyrészt ezért felelős. Most a vállalkozások még több szélenergiát akarnak hasznosítani, olcsóbban – és a költségek csökkentésének egyik legjobb módja a nagyobb turbinák építése. Ezért egy hat intézményből álló szövetség a Virginiai Egyetem kutatóinak vezetésével a világ legnagyobb szélturbináját tervezi, amely 500 méter magas lesz – majdnem egyharmad mérföld magas, és körülbelül 57 méterrel magasabb, mint az Empire State Building.

A turbinák már most is érezhetően nagyobbak, mint 15-20 évvel ezelőtt. A méret változó, de a mai tipikus szélerőművek tornyai körülbelül 70 méter magasak, a lapátok pedig körülbelül 50 méter hosszúak. Teljesítményük a mérettől és a magasságtól függ, de általában egy és öt megawatt között mozog – a felső határon ez körülbelül 1100 háztartás ellátására elegendő. “Van ez a motiváció, hogy nagyobb szélturbinákat használjunk, és ennek oka nagyrészt a gazdaságosság” – magyarázza John Hall, a buffalói egyetem (S.U.N.Y.) gépészeti és űrmérnöki tanszékének docense. Így “több energiát lehet megragadni” a magasabb szerkezetekkel, mondja Eric Loth, a hatalmas turbinaprojekt projektvezetője, amelyet az amerikai energiaügyi minisztérium Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) finanszíroz.

A másik ok, amiért a szélszakértők szerint a nagyobb jobb: a hosszabb turbinalapátok is hatékonyabban fogják a szelet, és a magasabb tornyok hosszabb lapátokat tesznek lehetővé. A turbina teljesítménye közvetlenül összefügg a “söpört területtel” – a lapátok forgása által lefedett körkörös területtel – magyarázza Christopher Niezrecki, a Massachusetts Lowell Egyetem gépészmérnöki professzora és a Szélenergia Központ igazgatója. És ez az összefüggés nem lineáris – ha a lapátok hossza megduplázódik, a rendszer négyszer annyi energiát termelhet, magyarázza Niezrecki. Megjegyzi, hogy a nagyobb turbináknak alacsonyabb a “cut-in” sebessége is, vagyis az a szélsebesség, amelynél már energiát tudnak termelni.

Loth csapata 50 megawattos rendszert akar tervezni 200 méter hosszú lapátokkal, amelyek jóval nagyobbak, mint a mai szélturbinák. Ha a kutatóknak sikerül, úgy vélik, a turbina tízszer erősebb lenne a meglévő berendezéseknél. A tudósok azonban nem egyszerűen a hagyományos konstrukciókat kívánják felnagyítani, hanem alapvetően megváltoztatják a turbina szerkezetét. Az ultranagy gépnek a szokásos három helyett két lapátja lesz, ami csökkenti a szerkezet súlyát és a költségeket. Loth szerint a lapátok számának csökkentése rendes körülmények között a turbina hatékonyságát csökkentené, de csapata olyan fejlett aerodinamikai kialakítást alkalmaz, amely szerinte nagymértékben kompenzálja ezeket a veszteségeket.

A csapat elképzelései szerint ezek a gigantikus szerkezetek legalább 80 kilométerre a tengerparton állnak, ahol a szelek általában erősebbek, és ahol a szárazföldön élő emberek nem látják vagy hallják őket, Loth szerint. De erős viharok csapnak le ilyen helyekre – például az Egyesült Államok keleti partjainál az Atlanti-óceánon -, így Loth csapata azzal a dilemmával szembesült, hogy valami hatalmasat kell létrehoznia, ami ugyanakkor viszonylag könnyű, és még mindig ellenáll a hurrikánoknak. A probléma megoldásához a kutatók a természet egyik saját tervezési megoldását keresték: a pálmafákat. “A pálmafák nagyon magasak, de szerkezetileg nagyon könnyűek, és ha erősen fúj a szél, a törzs meghajolhat” – mondja Loth. “Ugyanezt a koncepciót próbáljuk alkalmazni – úgy tervezzük meg a szélturbinákat, hogy rugalmasak legyenek, hajlíthatók és alkalmazkodjanak az áramláshoz.”

A csapat tervében a két lapát a turbina tornyától lefelé helyezkedik el, nem pedig felfelé, mint a hagyományos turbináknál. A lapátok a szél irányának megfelelően változtatják alakjukat is, hasonlóan a pálmafához. “Amikor a lapátok szél alatti szögben visszahajlanak, nem kell olyan nehéznek és erősnek építeni őket, így kevesebb anyagot használhatunk fel” – magyarázza Loth. Ez a kialakítás annak a lehetőségét is csökkenti, hogy az erős szél a pörgő lapátot a torony felé hajlítja, ami az egész szerkezetet ledöntheti. “A lapátok alkalmazkodnak a nagy sebességhez, és elkezdenek behajolni, így kevesebb dinamikus erő hat rájuk” – mondja Loth. “Szeretnénk, ha a turbináink a 253 kilométer/órásnál nagyobb széllökéseket is elbírnának” üzemen kívüli körülmények között. A 80-95 kilométer/órás szélsebesség felett a rendszer leállna, és a lapátok elhajlanának a széltől, így ellen tudnának állni a heves széllökéseknek, teszi hozzá Loth.

Az 500 méteres turbina még mindig kihívásokkal néz szembe – jó oka van annak, hogy eddig még senki sem épített közel ekkora turbinát: “Hogyan lehet 200 méteres lapátokat készíteni? Hogyan rakod össze őket? Hogyan állítasz fel egy ilyen magas tornyot? A daruk csak ilyen magasra tudnak felmenni. A tengeri szélerőművek esetében pedig további bonyodalmakkal kell számolni” – mondja Niezrecki. A csapat tervei között szerepel egy szegmentált lapát, amelyet a helyszínen darabokból lehetne összerakni, de Niezrecki megjegyzi, hogy a szélenergia-ipar még nem igazán találta ki, hogyan lehet a lapátokat szegmentálni. “Rengeteg kutatási kérdés vár még megoldásra” – mondja. “Ez mindenképpen nagy kockázatot jelent, de nagy haszonnal is járhat. Nem hiszem, hogy ezek a problémák leküzdhetetlenek.” Hall azt is megkérdőjelezi, hogy egy ilyen hatalmas turbina optimális méretű-e. “Kezdünk rájönni, hogy a nagyobb jobb. A kérdés az, hogy mennyivel nagyobb? Meg kell találnunk az ideális pontot” – mondja. “Sokat fogunk tanulni ebből a projektből.”

Loth és csapata még nem tesztelt prototípust; jelenleg a turbina szerkezetét és vezérlőrendszerét tervezik, és idén nyáron egy, a valóságosnál jóval kisebb – körülbelül két méter átmérőjű – modellt építenek. Jövő nyárra tervezik egy nagyobb, két 20 méter hosszú lapátos változat megépítését, amely kevesebb mint egy megawatt teljesítményt fog termelni, és amelyet Coloradóban tesztelnek majd. Maga Loth sem száz százalékig biztos abban, hogy csapata mamut turbinája valósággá válik, de abban biztos, hogy érdemes megpróbálni. “Ez egy nagyon új koncepció, így biztosan nincs garancia arra, hogy működni fog” – mondja. “De ha működik, akkor forradalmasítani fogja a tengeri szélenergiát.”