Energía solar basada en el espacio: ¿podría la luz solar de regreso a la Tierra satisfacer nuestras necesidades energéticas?

El físico teórico Freeman Dyson imaginó una vez una civilización extraterrestre tan avanzada que había rodeado a su estrella madre con una capa artificial gigante. La superficie interna de este “Esfera de Dyson” captaría la radiación solar y la trasladaría hacia los puntos de captación, donde se convertiría en energía aprovechable. Tal noción sigue siendo ciencia ficción, pero ¿podría usarse un principio similar a una escala mucho más pequeña para aprovechar el poder de nuestro propio Sol?

Después de todo, más allá de las nubes, en el resplandor nocturno del espacio cercano a la Tierra, hay más energía solar ininterrumpida de la que la humanidad podría necesitar de manera realista en los siglos venideros. Es por eso que un grupo de científicos e ingenieros, durante más de 50 años, ha estado ideando técnicas para capturar esta energía en el espacio y enviarla de vuelta a la tierra.

La “energía solar basada en el espacio”, como se la conoce, tiene dos grandes beneficios sobre los métodos tradicionales para aprovechar el sol y el viento. En primer lugar, colocar un satélite que capture la luz solar en el espacio significa que no necesitaríamos cubrir vastas extensiones de tierra en la Tierra con paneles solares y parques eólicos. En segundo lugar, tendríamos un amplio suministro de energía incluso cuando, a pesar de las condiciones climáticas locales, esté nublado o el viento haya amainado.

Y ese es el problema con la energía solar y la energía eólica aquí en la Tierra: nunca pueden satisfacer nuestras demandas de energía de manera constante, incluso si se expanden mucho. Investigadores de la Universidad de Nottingham estimaron el año pasado que, si el Reino Unido dependiera totalmente de estas fuentes renovables, el país necesitaría almacenar más de 65 teravatios-hora de energía. Eso costaría más de £ 170 mil millones, más del doble de lo que costará la próxima red ferroviaria de alta velocidad del país. (Energías 14 8524)..

Desafortunadamente, la mayoría de los esfuerzos para hacer realidad la energía solar basada en el espacio se han topado con problemas técnicos y económicos aparentemente intratables. Pero los tiempos están cambiando. Los diseños de satélites innovadores, así como los costos de lanzamiento mucho más bajos, están haciendo que la energía solar basada en el espacio parezca una solución realista. Japón lo ha convertido en ley como un objetivo nacional, mientras que el Agencia Espacial Europea ha lanzado una convocatoria de ideas. China y los Estados Unidos ambos son instalaciones de prueba de construcción.

Mientras tanto, un consulta publicada por el gobierno del Reino Unido en 2021 llegó a la conclusión de que la energía solar basada en el espacio es técnica y económicamente factible. De manera tentadora, calculó que esta solución tecnológica podría ponerse en práctica 10 años antes de la meta de "cero neto" para 2050 del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático. Entonces, ¿es la energía solar basada en el espacio la respuesta a los problemas de nuestro clima? Y si es así, ¿qué impide que se haga realidad?

Sueños espaciales

El concepto original de energía solar desde el espacio fue ideado en 1968 por Peter Glaser, un ingeniero estadounidense de la consultora Arthur D Little. Previó colocar un enorme satélite en forma de disco en órbita geoestacionaria a unos 36,000 km sobre la Tierra. (Ciencia: 162 857).. El satélite, de aproximadamente 6 km de diámetro, estaría hecho de paneles fotovoltaicos para recolectar la luz solar y convertirla en energía eléctrica. Esta energía luego se convertiría en microondas utilizando un amplificador de tubo y se transmitiría a la Tierra a través de un transmisor de 2 km de diámetro.

Es la única forma de energía verde y renovable con el potencial de proporcionar energía eléctrica de referencia continua.

Chris Rodenbeck, Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

La belleza de las microondas es que no son absorbidas por las nubes aquí en la Tierra y, por lo tanto, pasarían en gran parte (aunque no totalmente) sin obstáculos a través de nuestra atmósfera. Glaser imaginó que serían recogidos por una antena fija de 3 km de diámetro, donde se convertirían en electricidad para la red. “Aunque el uso de satélites para la conversión de energía solar puede tardar varias décadas”, escribió, “es posible explorar varios aspectos de la tecnología requerida como guía para desarrollos futuros”.

La reacción inicial fue positiva en al menos algunos sectores, y la NASA otorgó a la compañía de Glaser, Arthur D Little, un contrato para realizar más estudios. A lo largo de los años, sin embargo, las conclusiones de los estudios posteriores sobre la energía solar basada en el espacio han oscilado entre cautelosamente positivas y aparentemente negativas.

En 2015, por ejemplo, la tecnología no recibió más que un veredicto tibio. en un informe del Instituto de Estudios Estratégicos (SSI) de la Escuela de Guerra del Ejército de EE. UU., que citó "ninguna evidencia convincente" de que la energía solar espacial podría ser económicamente competitiva con la generación de energía terrestre. El SSI criticó particularmente las "suposiciones cuestionables" hechas por sus defensores con respecto a llevar una estructura orbital tan grande al espacio. En pocas palabras, el informe indica que no hay suficientes vehículos de lanzamiento y que los que están disponibles son demasiado caros.

Pero el veredicto menos que brillante del SSI llegó antes de que las empresas privadas, especialmente SpaceX – comenzó a transformar la industria espacial. Al combinar los sistemas de cohetes reutilizables con una actitud de prueba y error en la investigación y el desarrollo, la empresa estadounidense ha reducido, durante la última década, el costo del lanzamiento a la órbita cercana a la Tierra en más de un factor de 10 (por kilo de carga útil). ), con planes para reducirlo en un orden de magnitud adicional. Lo que SSI consideró una limitación importante sobre los costos de lanzamiento, de hecho, ya no es un problema.

No es que el costo de llevar un satélite al espacio haya sido el único punto conflictivo. El concepto original de Glaser era engañosamente simple, con muchos desafíos ocultos. Para empezar, cuando un satélite orbita la Tierra, el ángulo entre el Sol, la nave y el punto de la Tierra al que se envía la energía cambia constantemente. Por ejemplo, si un satélite geoestacionario se dirige a la Tierra, su energía fotovoltaica estará frente al Sol al mediodía, pero de espaldas al Sol a la medianoche. En otras palabras, el satélite no generaría electricidad todo el tiempo.

La solución original a este problema era rotar continuamente los paneles fotovoltaicos en relación con los transmisores de microondas, que permanecerían fijos. Los paneles fotovoltaicos siempre apuntarían hacia el Sol, mientras que los transmisores siempre mirarían hacia la Tierra. Presentada por primera vez en 1979 por la NASA como un desarrollo de las ideas de Glaser, la solución se amplió aún más en una propuesta de 2015 de los ingenieros de la Academia de Tecnología Espacial de China en Beijing, que la llamaron Satélite de energía solar de juntas rotativas múltiples, o Señor-SPS (Figura 1).

Mientras tanto, Juan Mankins, un ex ingeniero de la NASA, inventó una solución rival en 2012. Apodado SPS alfa, su idea era mantener fijos los paneles solares y el transmisor, pero instalar numerosos espejos alrededor de los paneles (figura 2). Conocidos como helióstatos, estos espejos podrían rotar, redirigiendo continuamente la luz solar hacia los paneles solares y, por lo tanto, permitiendo que el satélite suministre energía a la Tierra sin interrupciones.

Sin embargo, ni MR-SPS ni SPS Alpha son satisfactorios, según dinero en efectivo, director e ingeniero jefe de Compañía eléctrica internacional limitada en Oxfordshire, Reino Unido. Cash, ex diseñador de sistemas electrónicos en los sectores automotriz, aeroespacial y energético, se centró hace una década en el desarrollo privado de fuentes de energía limpias a gran escala. Inicialmente atraído por el potencial de la fusión nuclear, sus problemas "realmente difíciles" lo desanimaron y rápidamente se decidió por la energía solar basada en el espacio como la opción más práctica.

Para Cash, el problema con MR-SPS y SPS Alpha es que tienen que rotar algunas partes del satélite en relación con otras. Por lo tanto, cada parte tendría que estar conectada físicamente con otra y necesitaría una articulación que se mueva. El problema es que, cuando se usan en satélites como la Estación Espacial Internacional, tales juntas pueden fallar debido al desgaste. Omitir las uniones articuladas haría que un satélite de energía solar fuera más confiable, concluyó Cash. “Quería averiguar qué se necesitaría para tener una solución de estado sólido que siempre vea el Sol y la Tierra”, dice.

Para 2017, Cash lo había descubierto, o eso afirma. Su Concepto CASSIOPeiA es un satélite que esencialmente se parece a una escalera de caracol, con los paneles fotovoltaicos como "peldaños" y los transmisores de microondas, dipolos en forma de barra, como "elevadores". Su ingeniosa geometría helicoidal significa que CASSIOPeiA puede recibir y transmitir energía solar las 24 horas del día, sin partes móviles (figura 3).

Cash, que tiene la intención de beneficiarse de CASSIOPeiA mediante la concesión de licencias de la propiedad intelectual relacionada, reclama muchos otros beneficios para su concepto. Su satélite propuesto puede construirse con cientos (y posiblemente miles) de módulos más pequeños conectados entre sí, cada uno de los cuales captura la energía solar, la convierte electrónicamente en microondas y luego la transmite a la Tierra. La belleza de este enfoque es que si algún módulo fuera golpeado por rayos cósmicos o desechos espaciales, su falla no destruiría todo el sistema.

Otra ventaja de CASSIOPeiA es que los componentes no fotovoltaicos están permanentemente en la sombra, lo que minimiza la disipación de calor, algo que es un problema en el vacío del espacio sin convección. Finalmente, como el satélite siempre está orientado hacia el Sol, puede ocupar más tipos de órbitas, incluidas las altamente elípticas. Entonces estaría, a veces, más cerca de la Tierra que si fuera geoestacionario, lo que lo hace más económico ya que no es necesario escalar el diseño sobre la base de un transmisor tan grande.

Tal vez como era de esperar, los competidores de Cash no están de acuerdo con su evaluación. Mankins, que ahora tiene su base en Soluciones de gestión de la innovación de Artemis en California, EE. UU., niega que los helióstatos articulados en su concepto SPS-Alpha sean un problema. En cambio, afirma que son "una simple extensión de [una] tecnología muy madura" que ya se usa para concentrar la luz solar para calentar fluidos y hacer funcionar turbinas en “torres solares” aquí en la tierra. También cree que los espejos duales requeridos por CASSIOPeiA podrían ser un problema ya que deben construirse con mucha precisión.

“Tengo un gran respeto por Ian y su trabajo; su concepto CASSIOPeiA más reciente es uno de varios que tienen un carácter muy similar, incluido el SPS-Alpha”, dice Mankins. “Sin embargo, no estoy de acuerdo con sus expectativas de que CASSIOPeiA demuestre ser superior a SPS-Alpha”. Para Mankins, el mejor enfoque para la energía solar basada en el espacio dependerá en última instancia de los resultados de los proyectos de desarrollo, siendo el factor crucial el costo real por kilovatio-hora de electricidad aquí en la Tierra.

Escalable y sorprendente

El interés en la energía solar espacial ha recibido un impulso adicional a raíz de la Informe de 2021 del gobierno del Reino Unido en la tecnología, lo que difícilmente podría haber sido más positivo sobre el concepto. Fue elaborado por ingenieros de la consultora con sede en el Reino Unido Frazer-Nash, que mantuvo correspondencia con varios expertos en energía e ingeniería espacial, incluidos los inventores de SPS Alpha, MR-SPS y CASSIOPeiA.

El informe concluyó que un satélite CASSIOPeiA de 1.7 km de ancho en órbita geoestacionaria que transmite radiación solar a 100 km² Una serie de receptores de microondas (o "rectenna") ubicados aquí en la Tierra generarían 2 GW de potencia continua. Eso es equivalente a la producción de una gran central eléctrica convencional. También es mucho mejor que, digamos, el existente Parque eólico London Array en el estuario del Támesis, que es un 25% más grande pero genera una potencia media de apenas 190 MW.

Más sorprendente, sin embargo, fue el análisis económico del informe. Sobre la base de una estimación de que un sistema de tamaño completo costaría 16.3 20 millones de libras esterlinas para desarrollar y lanzar, y teniendo en cuenta una tasa mínima de retorno de la inversión del 100 % anual, concluyó que un sistema de energía solar basado en el espacio podría, durante su vida útil de aproximadamente 50 años, generar energía a £ XNUMX por MWh.

Frazer-Nash dice que es entre un 14% y un 52% más caro que la energía solar y eólica terrestre actual. Pero, lo que es más importante, es entre un 39% y un 49% más barato que la biomasa, la energía nuclear o las fuentes de energía de gas más eficientes, que son las únicas que actualmente pueden ofrecer energía de "carga base" ininterrumpida. Los autores del informe también dijeron que su estimación conservadora de costos "se esperaría que se reduzca a medida que avanza el desarrollo".

"Es increíblemente escalable", dice Martín Soltau de Frazer-Nash, uno de los autores. Y dado que el nivel de luz solar en el espacio alrededor de la Tierra es mucho más brillante que abajo, calcula que cada módulo solar recogería 10 veces más que si se instalara en el suelo. El informe calcula que el Reino Unido necesitaría un total de 15 satélites, cada uno con su propia rectenna, para proporcionar una cuarta parte de las necesidades energéticas del país para 2050. Cada rectenna podría ubicarse junto o incluso dentro de un parque eólico existente.

Si el esquema se ampliara aún más, en principio podría satisfacer más del 150 % de toda la demanda mundial de electricidad (aunque un suministro de energía resiliente normalmente dictaría una amplia combinación de fuentes). La energía solar basada en el espacio, agrega Soltau, también tendría un impacto mucho menor en el medio ambiente que las fuentes de energía renovable basadas en la Tierra. La huella de carbono sería pequeña, habría poca demanda de minerales de tierras raras y, a diferencia de las turbinas eólicas, no habría ruido ni estructuras altas visibles.

Si todo eso suena demasiado bueno para ser verdad, bien podría serlo. El informe Frazer-Nash admite varios "problemas de desarrollo", en particular, encontrar formas de hacer que la transferencia de energía inalámbrica sea más eficiente. chris rodenbeck, un ingeniero eléctrico del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington DC, dice que las demostraciones a gran escala de la tecnología son difíciles de lograr. Requieren inversiones sostenidas y avances específicos en componentes electrónicos, como diodos rectificadores de alta potencia, que no están fácilmente disponibles.

Afortunadamente, la transmisión inalámbrica de energía ha ido avanzando durante décadas. En 2021, el equipo de Rodenbeck envió 1.6 kW de energía eléctrica a una distancia de 1 km, con una eficiencia de conversión de microondas a electricidad del 73 %. A primera vista, eso es menos impresionante que la demostración más poderosa de energía inalámbrica hasta la fecha, que tuvo lugar en 1975 cuando el personal de Laboratorio Goldstone de la NASA en California convirtió microondas de 10 GHz en electricidad con una eficiencia superior al 80%. Sin embargo, de manera crucial, Rodenbeck utilizó microondas de 2.4 GHz de baja frecuencia, que sufrirían una pérdida atmosférica mucho menor en el espacio.

Para contrarrestar la mayor difracción (difusión del haz) que ocurre naturalmente en frecuencias más bajas, los investigadores explotaron el terreno circundante para "rebotar" las microondas hacia el conjunto de receptores, mejorando así la densidad de potencia en un 70 % (IEEE J. Microw. 2 28). “Hicimos [la prueba] con bastante rapidez y bajo costo durante la pandemia mundial”, dice Rodenbeck. “Podríamos haber logrado más”.

La construcción inicial requerirá una fábrica en el espacio las 24 horas del día, los 7 días de la semana, con una línea de ensamblaje como una fábrica de automóviles en la Tierra.

Yang Gao, Universidad de Surrey

Rodenbeck es optimista sobre las perspectivas de la energía solar basada en el espacio. Mientras que la fusión nuclear, afirma, "se enfrenta a problemas básicos de la física", la energía solar basada en el espacio y la transferencia de energía inalámbrica simplemente "se enfrenta a los dólares". “[Es] la única forma de energía verde y renovable con el potencial de proporcionar energía eléctrica básica continua”, afirma Rodenbeck. "A menos que se produzca un avance técnico [en] la fusión nuclear controlada, parece muy probable que la humanidad aproveche la energía solar espacial para las necesidades energéticas futuras".

Sin embargo, una nota de precaución proviene de yang gao, un ingeniero espacial de la Universidad de Surrey en el Reino Unido, quien admite que "la mera escala" del sistema espacial propuesto "es bastante alucinante". Ella cree que la construcción inicial bien podría requerir "una fábrica en el espacio las 24 horas, los 7 días de la semana, con una línea de montaje como una fábrica de automóviles en la Tierra", probablemente usando robots autónomos. En cuanto al mantenimiento de la instalación, una vez construida, Gao dice que sería "exigente".

Para Cash, lo que es crucial es la órbita que ocuparía un satélite de energía espacial. Un satélite geoestacionario de energía solar estaría tan lejos de la Tierra que requeriría enormes y costosos transmisores y rectennas para transmitir energía de manera eficiente. Pero al aprovechar múltiples satélites en órbitas más cortas y altamente elípticas, dice Cash, los inversores podrían realizar sistemas de trabajo más pequeños en el concepto CASSIOPeiA con una fracción del capital. SPS Alpha y MR-SPS, por el contrario, tendrían que ser de tamaño completo desde el primer día.

¿Hay suficiente voluntad?

Y, sin embargo, el mayor desafío para la energía solar basada en el espacio puede no ser económico o técnico, sino político. En un mundo donde un número considerable de personas cree en las teorías de conspiración que rodean la tecnología móvil 5G, transmitir gigavatios de energía de microondas desde el espacio a la Tierra podría resultar difícil de vender, a pesar de que la intensidad máxima del haz es de apenas 250 W/m², menos de una cuarta parte de la intensidad solar máxima en el ecuador.

De hecho, el informe del Reino Unido admite que sus defensores deben probar el apetito del público y "preparar una conversación" en torno a las ideas clave. Pero también hay consideraciones técnicas y sociales reales. ¿Dónde se ubicarán las rectenas? ¿Cómo se desmantelarán los satélites al final de su vida útil sin agregar basura espacial? ¿Quedará espacio en el espectro de microondas para algo más? ¿Y el sistema será vulnerable a un ataque?

A raíz de su informe, el El gobierno del Reino Unido presentó un fondo de 3 millones de libras esterlinas para ayudar a las industrias a desarrollar algunas de las tecnologías clave, y el ex secretario comercial Kwasi Kwarteng dijo que la energía solar basada en el espacio “podría proporcionar una fuente de energía asequible, limpia y confiable para todo el mundo”. Es poco probable que ese bote de dinero llegue lejos para una empresa de esta escala, razón por la cual Soltau ha ayudado a establecer una empresa llamada espacio solar, que espera recaudar 200 millones de libras esterlinas iniciales de inversores privados.

Mientras tanto, lo que él llama una “colaboración de la voluntad”, la Iniciativa de energía espacial, ha reunido a científicos, ingenieros y funcionarios de más de 50 instituciones académicas, empresas y organismos gubernamentales, que trabajan representantes pro bono. para ayudar a llevar a cabo un sistema de trabajo. SpaceX aún no está en la lista, pero Soltau afirma haber llamado la atención de la compañía estadounidense. “Están muy interesados”, dice.

Cash no duda de que se encontrará inversión. Las energías renovables terrestres no pueden entregar energía de carga base ininterrumpida sin una infraestructura de baterías enormemente costosa, mientras que la energía nuclear siempre enfrenta una fuerte oposición. Cash cree que la energía solar basada en el espacio es una parte vital de la combinación si queremos alcanzar el cero neto, y simplemente pedirle a la gente que use menos energía es una "idea peligrosa". La mayoría de las guerras se han librado por una supuesta falta de recursos”, dice. “Si no buscamos cómo hacer que la civilización siga avanzando, la alternativa es muy aterradora”.