Energia solare basata sullo spazio: trasmettere la luce solare sulla Terra potrebbe soddisfare il nostro fabbisogno energetico?

Il fisico teorico Freeman Dyson una volta immaginò una civiltà aliena così avanzata da circondare la sua stella madre con un gigantesco guscio artificiale. La superficie interna di questo “Sfera di Dyson” catturerebbe la radiazione solare e la trasferirebbe verso punti di raccolta, dove verrebbe convertita in energia utilizzabile. Tale concetto rimane fantascienza, ma un principio simile potrebbe essere utilizzato su scala molto più piccola per sfruttare la potenza del nostro Sole?

Dopotutto, al di là delle nuvole, nel bagliore senza notte dello spazio vicino alla Terra, c’è più energia solare ininterrotta di quanta l’umanità potrebbe realisticamente richiedere nei secoli a venire. Ecco perché un gruppo di scienziati e ingegneri, da più di 50 anni, escogita tecniche per catturare questa energia nello spazio e trasmetterla a terra.

L’“energia solare spaziale”, come è nota, presenta due enormi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali per sfruttare il sole e il vento. In primo luogo, mettere nello spazio un satellite in grado di catturare la luce solare significa che non avremmo bisogno di coprire vaste aree della Terra con pannelli solari e parchi eolici. In secondo luogo, avremmo un’ampia fornitura di energia anche quando, nonostante le condizioni meteorologiche locali, è nuvoloso o il vento si calma.

E questo è il problema con l’energia solare ed eolica qui sulla Terra: non potranno mai soddisfare le nostre richieste energetiche in modo coerente, anche se notevolmente ampliate. I ricercatori dell’Università di Nottingham hanno stimato l’anno scorso che, se il Regno Unito dovesse fare totale affidamento su queste fonti rinnovabili, il paese avrebbe bisogno di immagazzinare più di 65 terawattora di energia. Ciò costerebbe oltre 170 miliardi di sterline, più del doppio di quello della futura rete ferroviaria ad alta velocità del paese (Energie 14 8524).

La maggior parte degli sforzi per realizzare l’energia solare dallo spazio hanno, purtroppo, incontrato problemi tecnici ed economici apparentemente insolubili. Ma i tempi stanno cambiando. I progetti innovativi dei satelliti, così come i costi di lancio molto più bassi, stanno improvvisamente facendo sembrare l’energia solare spaziale una soluzione realistica. Giappone lo ha scritto in legge come obiettivo nazionale, mentre il Agenzia spaziale europea ha lanciato un invito a presentare idee. Cina ed gli Stati Uniti stanno entrambi costruendo strutture di prova.

Nel frattempo, un consultazione pubblicata dal governo del Regno Unito nel 2021 ha concluso che l’energia solare spaziale è tecnicamente ed economicamente fattibile. Curiosamente, si stima che questa soluzione tecnologica potrebbe essere messa in pratica 10 anni prima dell’obiettivo “net zero” del 2050 del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici. Quindi l’energia solare spaziale è la risposta ai problemi del nostro clima? E se sì, cosa impedisce che diventi realtà?

Sogni spaziali

Il concetto originale di energia solare dallo spazio è stato ideato nel 1968 da Peter Glaser, un ingegnere statunitense della società di consulenza Arthur D Little. Egli prevedeva di posizionare un enorme satellite a forma di disco in orbita geostazionaria a circa 36,000 km sopra la Terra. (Scienze 162 857). Il satellite, di circa 6 km di diametro, sarebbe costituito da pannelli fotovoltaici per raccogliere la luce solare e convertirla in energia elettrica. Questa energia verrebbe poi trasformata in microonde utilizzando un amplificatore a valvole e trasmessa sulla Terra tramite un trasmettitore di 2 km di diametro.

È l’unica forma di energia verde e rinnovabile con il potenziale per fornire energia elettrica di base continua.

Chris Rodenbeck, Laboratorio di ricerca navale statunitense

La bellezza delle microonde è che non vengono assorbite dalle nuvole qui sulla Terra e quindi passerebbero in gran parte (anche se non totalmente) senza ostacoli attraverso la nostra atmosfera. Glaser prevedeva che venissero raccolti da un'antenna fissa di 3 km di diametro, dove sarebbero stati convertiti in elettricità per la rete. “Sebbene l’uso dei satelliti per la conversione dell’energia solare possa essere ancora lontano diversi decenni”, ha scritto, “è possibile esplorare diversi aspetti della tecnologia richiesta come guida per gli sviluppi futuri”.

La reazione iniziale è stata positiva almeno in alcuni trimestri, con la NASA che ha assegnato alla società di Glaser, Arthur D Little, un contratto per ulteriori studi. Nel corso degli anni, tuttavia, le conclusioni dei successivi studi sull’energia solare spaziale sono variate da cautamente positive a apparentemente negative.

Nel 2015, ad esempio, la tecnologia ha ricevuto solo un giudizio tiepido in un rapporto dello Strategic Studies Institute (SSI) dell’US Army War College, che non citava “nessuna prova convincente” che l’energia solare spaziale potesse essere economicamente competitiva con la produzione di energia terrestre. La SSI ha criticato in particolare le “presupposizioni discutibili” avanzate dai suoi sostenitori riguardo allo spostamento nello spazio di una struttura orbitante così grande. In parole povere, il rapporto afferma che non ci sono abbastanza veicoli di lancio e che quelli disponibili sono troppo costosi.

Ma il verdetto tutt’altro che brillante del SSI è arrivato prima delle aziende private SpaceX – ha iniziato a trasformare l’industria spaziale. Combinando sistemi missilistici riutilizzabili con un approccio di ricerca e sviluppo basato su tentativi ed errori, l’azienda statunitense ha, negli ultimi dieci anni, tagliato il costo del lancio nell’orbita vicino alla Terra di oltre un fattore 10 (per chilo di carico utile). ), con l'intenzione di ridurlo ulteriormente di un ordine di grandezza. Ciò che la SSI considerava una limitazione importante sui costi di lancio, in realtà, non è più un problema.

Non che il costo per mandare un satellite nello spazio sia stato l’unico punto critico. Il concetto originale di Glaser era apparentemente semplice, con molte sfide nascoste. Per cominciare, quando un satellite orbita attorno alla Terra, l’angolo tra il Sole, la navicella e il punto sulla Terra a cui viene inviata l’energia cambia costantemente. Ad esempio, se un satellite geostazionario viene puntato sulla Terra, il suo fotovoltaico sarà rivolto verso il Sole a mezzogiorno ma darà le spalle al Sole a mezzanotte. In altre parole, il satellite non genererebbe elettricità in ogni momento.

La soluzione originale a questo problema era ruotare continuamente i pannelli fotovoltaici rispetto ai trasmettitori a microonde, che sarebbero rimasti fissi. I pannelli fotovoltaici punterebbero quindi sempre verso il Sole, mentre i trasmettitori sarebbero sempre rivolti verso la Terra. Presentata per la prima volta nel 1979 dalla NASA come sviluppo delle idee di Glaser, la soluzione è stata ulteriormente estesa in una proposta del 2015 dagli ingegneri della China Academy of Space Technology di Pechino, che l'hanno soprannominata Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, o MR-SPS (figura 1).

Nel frattempo, John Mankins, un ex ingegnere della NASA, ha inventato una soluzione rivale nel 2012. Soprannominata SPS Alfa, la sua idea era di mantenere fissi i pannelli solari e il trasmettitore, ma installare numerosi specchi attorno ai pannelli (figura 2). Conosciuti come eliostati, questi specchi sarebbero in grado di ruotare, reindirizzando continuamente la luce solare sui pannelli solari e consentendo così al satellite di fornire energia alla Terra senza interruzioni.

Tuttavia, né MR-SPS né SPS Alpha sono soddisfacenti Ian Cash, direttore e ingegnere capo presso Compagnia elettrica internazionale limitata nell'Oxfordshire, nel Regno Unito. Ex progettista di sistemi elettronici nei settori automobilistico, aerospaziale ed energetico, Cash si è rivolto dieci anni fa allo sviluppo privato di fonti di energia pulite e su larga scala. Inizialmente attratto dal potenziale della fusione nucleare, è stato scoraggiato dai suoi problemi “davvero difficili” e ha subito scelto l’energia solare spaziale come l’opzione più pratica.

Per Cash, il problema sia con MR-SPS che con SPS Alpha è che devono ruotare alcune parti del satellite rispetto ad altre. Ogni parte dovrebbe quindi essere fisicamente collegata ad un'altra e necessitare di uno snodo che si muova. Il problema è che, se utilizzati su satelliti come la Stazione Spaziale Internazionale, tali giunti possono cedere a causa dell'usura. L’eliminazione dei giunti articolati renderebbe un satellite a energia solare più affidabile, ha concluso Cash. "Volevo scoprire cosa sarebbe necessario per avere una soluzione a stato solido in grado di vedere sempre il Sole e la Terra", afferma.

Nel 2017 Cash lo aveva capito, o almeno così sostiene. Il suo Il concetto di CASSIOPeiA è un satellite che essenzialmente assomiglia ad una scala a chiocciola, con i pannelli fotovoltaici che sono i “gradini” e i trasmettitori a microonde – dipoli a forma di bastoncino – che sono le “montanti”. La sua intelligente geometria elicoidale fa sì che CASSIOPeiA possa ricevere e trasmettere energia solare 24 ore al giorno, senza parti in movimento (figura 3).

Cash, che intende trarre profitto da CASSIOPeiA concedendo in licenza la relativa proprietà intellettuale, rivendica molti altri vantaggi per il suo concetto. Il satellite da lui proposto può essere costruito con centinaia (e forse migliaia) di moduli più piccoli collegati tra loro, ciascuno dei quali cattura l'energia solare, la converte elettronicamente in microonde e poi la trasmette alla Terra. La bellezza di questo approccio è che se un qualsiasi modulo venisse colpito da raggi cosmici o detriti spaziali, il suo guasto non metterebbe fuori combattimento l’intero sistema.

Un altro vantaggio di CASSIOPeiA è che i componenti non fotovoltaici sono permanentemente in ombra, il che riduce al minimo la dissipazione del calore – qualcosa che è un problema nel vuoto senza convezione dello spazio. Infine, poiché il satellite è sempre orientato verso il Sole, può occupare più tipi di orbite, comprese quelle fortemente ellittiche. Sarebbe quindi, a volte, più vicino alla Terra che se fosse geostazionario, il che lo rende più economico in quanto non è necessario ridimensionare il progetto sulla base di un trasmettitore così grande.

Forse non sorprende che i concorrenti di Cash non siano d’accordo con la sua valutazione. Mankins, che ora ha sede a Soluzioni di gestione dell'innovazione Artemis in California, negli Stati Uniti, contesta che gli eliostati articolati del suo concetto SPS-Alpha costituiscano un problema. Invece, sostiene che sono “una semplice estensione di [una] tecnologia molto matura” che è già utilizzata per concentrare la luce solare per riscaldare fluidi e azionare turbine in “torri solari” qui sulla Terra. Crede inoltre che i doppi specchi richiesti da CASSIOPeiA potrebbero rappresentare un problema poiché devono essere costruiti in modo molto preciso.

“Ho una grande stima per Ian e il suo lavoro; il suo concetto più recente CASSIOPeiA è uno dei tanti che hanno caratteristiche molto simili, incluso SPS-Alpha”, afferma Mankins. “Tuttavia, non sono d’accordo con la sua aspettativa che CASSIOPeiA si dimostrerà superiore a SPS-Alpha.” Per Mankins, l’approccio migliore all’energia solare spaziale dipenderà in ultima analisi dai risultati dei progetti di sviluppo, con il costo effettivo per kilowattora di elettricità qui sulla Terra che rappresenta il fattore cruciale.

Scalabile e sorprendente

L'interesse per l'energia solare spaziale ha ricevuto un ulteriore impulso sulla scia del Rapporto 2021 del governo britannico nella tecnologia, il che difficilmente avrebbe potuto essere più positivo riguardo al concetto. È stato redatto dagli ingegneri della società di consulenza con sede nel Regno Unito Frazer-Nash, che ha avuto una corrispondenza con numerosi esperti di ingegneria spaziale ed energia, tra cui gli inventori di SPS Alpha, MR-SPS e CASSIOPeiA.

Il rapporto ha concluso che un satellite CASSIOPeiA largo 1.7 km in orbita geostazionaria trasmette la radiazione solare a una distanza di 100 km² una serie di ricevitori a microonde (o “rectenna”) situati qui sulla Terra genererebbe 2 GW di potenza continua. Ciò equivale alla produzione di una grande centrale elettrica convenzionale. È anche molto meglio, per esempio, di quello esistente Parco eolico London Array nell’estuario del Tamigi, che è circa il 25% più grande ma genera una potenza media di appena 190 MW.

Più sorprendente, tuttavia, è stata l’analisi economica del rapporto. Sulla base di una stima secondo cui lo sviluppo e il lancio di un sistema a grandezza naturale costerebbe 16.3 miliardi di sterline e consentendo un tasso minimo di ritorno sull’investimento del 20% su base annua, si è concluso che un sistema di energia solare spaziale potrebbe, nel corso della sua vita di circa 100 anni, generare energia a £ 50 per MWh.

Frazer-Nash afferma che è dal 14 al 52% più costosa dell’attuale energia eolica e solare terrestre. Ma, soprattutto, è più economica del 39-49% rispetto alla biomassa, al nucleare o alle più efficienti fonti energetiche a base di gas, che sono le uniche attualmente in grado di offrire energia ininterrotta “carico di base”. Gli autori del rapporto hanno anche affermato che la loro stima prudente dei costi “si prevede che si ridurrà man mano che lo sviluppo procede”.

“È incredibilmente scalabile”, afferma Martin Soltau di Frazer-Nash, uno degli autori. E poiché il livello di luce solare nello spazio attorno alla Terra è molto più luminoso che in basso, stima che ogni modulo solare ne raccoglierebbe 10 volte di più rispetto a se installato a terra. Il rapporto stima che il Regno Unito avrebbe bisogno di un totale di 15 satelliti – ciascuno con la propria antenna – per fornire un quarto del fabbisogno energetico del paese entro il 2050. Ogni antenna potrebbe essere posizionata accanto o addirittura all’interno di un parco eolico esistente.

Se il sistema venisse ulteriormente ampliato, in linea di principio potrebbe soddisfare oltre il 150% di tutta la domanda globale di elettricità (anche se una fornitura energetica resiliente imporrebbe di solito un ampio mix di fonti). L’energia solare proveniente dallo spazio, aggiunge Soltau, avrebbe anche un impatto molto inferiore sull’ambiente rispetto alle fonti energetiche rinnovabili basate sulla Terra. L’impronta di carbonio sarebbe piccola, ci sarebbero poche richieste di minerali delle terre rare e, a differenza delle turbine eoliche, non ci sarebbero rumori o alte strutture visibili.

Se tutto ciò sembra troppo bello per essere vero, potrebbe benissimo esserlo. Il rapporto Frazer-Nash ammette diversi “problemi di sviluppo”, in particolare la ricerca di modi per rendere più efficiente il trasferimento di energia wireless. Chris Rodenbeck, un ingegnere elettrico del Laboratorio di ricerca navale statunitense di Washington DC, afferma che è difficile ottenere dimostrazioni su larga scala della tecnologia. Richiedono investimenti sostenuti e progressi mirati nei componenti elettronici, come i diodi raddrizzatori ad alta potenza, che non sono prontamente disponibili.

Fortunatamente, la trasmissione wireless di energia sta facendo progressi da decenni. Nel 2021 il team di Rodenbeck ha inviato 1.6 kW di energia elettrica su una distanza di 1 km, con un’efficienza di conversione da microonde a elettricità del 73%. A prima vista, è meno impressionante della più potente dimostrazione di energia wireless mai realizzata fino ad oggi, avvenuta nel 1975, quando il personale della Il laboratorio Goldstone della NASA in California hanno convertito le microonde da 10 GHz in elettricità con un'efficienza superiore all'80%. Fondamentalmente, tuttavia, Rodenbeck ha utilizzato microonde a frequenza più bassa da 2.4 GHz, che avrebbero subito una perdita atmosferica molto inferiore nello spazio.

Per contrastare la maggiore diffrazione (diffusione del fascio) che si verifica naturalmente alle frequenze più basse, i ricercatori hanno sfruttato il terreno circostante per “rimbalzare” le microonde verso l’array di ricevitori, migliorando così la densità di potenza del 70% (IEEE J. Microw. 2 28). “Abbiamo eseguito il test in modo abbastanza rapido ed economico durante la pandemia globale”, afferma Rodenbeck. “Avremmo potuto ottenere di più”.

La costruzione iniziale richiederà una fabbrica nello spazio aperta 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX, con una catena di montaggio simile a quella di una fabbrica di automobili sulla Terra.

Yang Gao, Università del Surrey

Rodenbeck è ottimista riguardo alle prospettive dell'energia solare dallo spazio. Mentre la fusione nucleare, sostiene, “si scontra con problemi fondamentali della fisica”, l’energia solare spaziale – e il trasferimento di energia wireless – si sta semplicemente “scontrando con i dollari”. “[È] l’unica forma di energia verde e rinnovabile con il potenziale per fornire energia elettrica continua e di base”, afferma Rodenbeck. “Salvo una svolta tecnica [nella] fusione nucleare controllata, sembra molto probabile che l’umanità sfrutterà l’energia solare spaziale per i futuri bisogni energetici”.

Una nota di cautela, però, viene da Yang Gao, un ingegnere spaziale dell'Università del Surrey nel Regno Unito, il quale ammette che “la vastità” del sistema spaziale proposto “è davvero strabiliante”. Lei ritiene che la costruzione iniziale potrebbe richiedere “una fabbrica nello spazio aperta 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX, con una catena di montaggio come una fabbrica di automobili sulla Terra”, probabilmente utilizzando robot autonomi. Per quanto riguarda il mantenimento della struttura, una volta costruita, Gao afferma che sarebbe “impegnativa”.

Per Cash, ciò che è cruciale è l’orbita che occuperebbe un satellite spaziale. Un satellite geostazionario per l’energia solare sarebbe così lontano dalla Terra che richiederebbe trasmettitori e antenne rettangolari enormi e costosi per trasmettere energia in modo efficiente. Ma sfruttando più satelliti su orbite più brevi e altamente ellittiche, afferma Cash, gli investitori potrebbero realizzare sistemi funzionanti più piccoli sul concetto CASSIOPeiA con una frazione del capitale. SPS Alpha e MR-SPS, invece, dovrebbero essere a grandezza naturale fin dal primo giorno.

C'è abbastanza volontà?

Eppure la sfida più grande per l’energia solare spaziale potrebbe non essere economica o tecnica, ma politica. In un mondo in cui un numero considerevole di persone crede nelle teorie del complotto sulla tecnologia mobile 5G, trasmettere gigawatt di potenza a microonde dallo spazio alla Terra potrebbe rivelarsi un’impresa ardua, nonostante l’intensità massima del raggio sia di appena 250 W/m.², meno di un quarto dell'intensità solare massima all'equatore.

In effetti, il rapporto britannico ammette che i suoi sostenitori devono testare l’appetito del pubblico e “curare un dibattito” sulle idee chiave. Ma ci sono anche reali considerazioni tecniche e sociali. Dove verranno posizionate le rectenne? Come verranno smantellati i satelliti al termine della loro vita senza aggiungerli alla spazzatura spaziale? Nello spettro delle microonde rimarrà spazio per qualcos’altro? E il sistema sarà vulnerabile agli attacchi?

Sulla scia del suo rapporto, il Il governo britannico ha presentato un fondo di 3 milioni di sterline per aiutare le industrie a sviluppare alcune delle tecnologie chiave, con l’ex segretario agli affari Kwasi Kwarteng che afferma che l’energia solare spaziale “potrebbe fornire una fonte di energia economica, pulita e affidabile per il mondo intero”. È improbabile che quei soldi siano sufficienti per un’impresa di questa portata, motivo per cui Soltau ha contribuito a creare un’impresa chiamata Spazio solare, che spera di raccogliere una somma iniziale di 200 milioni di sterline da investitori privati.

Nel frattempo, quella che lui chiama una “collaborazione dei volenterosi”, la Iniziativa sull'energia spaziale, ha riunito scienziati, ingegneri e funzionari pubblici di oltre 50 istituzioni accademiche, aziende ed enti governativi, che vi lavorano Pro bono per contribuire a portare a compimento un sistema funzionante. SpaceX non è ancora nella lista, ma Soltau afferma di aver attirato l’attenzione dell’azienda statunitense. “Sono molto interessati”, dice.

Cash non dubita che l'investimento verrà trovato. Le energie rinnovabili terrestri non possono fornire energia ininterrotta e di carico di base senza infrastrutture per batterie enormemente costose, mentre il nucleare deve sempre affrontare una dura opposizione. L’energia solare proveniente dallo spazio, ritiene Cash, è una parte vitale del mix se vogliamo raggiungere lo zero netto, e chiedere semplicemente alle persone di usare meno energia è una “idea pericolosa”. La maggior parte delle guerre sono state combattute per una percepita mancanza di risorse”, afferma. “Se non guardiamo a come far avanzare la civiltà, l’alternativa è molto spaventosa”.