Energia solar baseada no espaço: poderia irradiar luz solar de volta à Terra atender às nossas necessidades de energia?

O físico teórico Freeman Dyson certa vez imaginou uma civilização alienígena tão avançada que cercava sua estrela-mãe com uma concha artificial gigante. A superfície interna deste “Esfera de Dyson” captaria a radiação solar e a transferiria para pontos de coleta, onde seria convertida em energia utilizável. Tal noção continua a ser ficção científica, mas será que um princípio semelhante poderia ser usado numa escala muito menor para aproveitar o poder do nosso próprio Sol?

Afinal de contas, para além das nuvens, no brilho noturno do espaço próximo da Terra, há mais energia solar ininterrupta do que a humanidade poderia realisticamente necessitar nos próximos séculos. É por isso que um grupo de cientistas e engenheiros vem, há mais de 50 anos, sonhando com técnicas para capturar esta energia no espaço e transmiti-la de volta à Terra.

A “energia solar baseada no espaço”, como é conhecida, tem dois enormes benefícios em relação aos métodos tradicionais de aproveitamento do Sol e do vento. Primeiro, colocar um satélite que capte a luz solar no espaço significa que não precisaríamos cobrir vastas extensões de terra na Terra com painéis solares e parques eólicos. Em segundo lugar, teríamos um amplo fornecimento de energia mesmo quando, apesar das condições climáticas locais, estivesse nublado ou o vento diminuísse.

E esse é o problema da energia solar e da energia eólica aqui na Terra: nunca conseguirão satisfazer as nossas necessidades energéticas de forma consistente, mesmo que sejam bastante expandidas. Pesquisadores da Universidade de Nottingham estimaram no ano passado que, se o Reino Unido dependesse totalmente destas fontes renováveis, o país precisaria armazenar mais de 65 terawatts-hora de energia. Isso custaria mais de £ 170 bilhões, mais que o dobro da futura rede ferroviária de alta velocidade do país. (Energias 14 8524).

A maioria dos esforços para concretizar a energia solar baseada no espaço, infelizmente, deparou-se com problemas técnicos e económicos aparentemente intratáveis. Mas os tempos estão mudando. Os designs inovadores de satélites, bem como os custos de lançamento muito mais baixos, estão subitamente a fazer com que a energia solar baseada no espaço pareça uma solução realista. Japão transformou isso em lei como um objetivo nacional, enquanto o Agência Espacial Europeia lançou um apelo à apresentação de ideias. China e os EUA ambos estão construindo instalações de teste.

Enquanto isso, um consulta publicada pelo governo do Reino Unido em 2021 concluiu que a energia solar baseada no espaço é técnica e economicamente viável. De forma tentadora, calculou que esta solução tecnológica poderia ser posta em prática 10 anos antes do objectivo de “zero líquido” para 2050 do Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas. Então, será a energia solar baseada no espaço a resposta para os problemas do nosso clima? E se sim, o que impede que isso se torne realidade?

sonhos espaciais

O conceito original de energia solar a partir do espaço foi idealizado em 1968 por Peter Glaser, engenheiro norte-americano da consultoria Arthur D Little. Ele imaginou colocar um enorme satélite em forma de disco em órbita geoestacionária, cerca de 36,000 km acima da Terra. (Ciência 162 857). O satélite, com cerca de 6 km de diâmetro, seria feito de painéis fotovoltaicos para coletar a luz solar e convertê-la em energia elétrica. Essa energia seria então transformada em microondas usando um amplificador valvulado e transmitida para a Terra por meio de um transmissor de 2 km de diâmetro.

É a única forma de energia verde e renovável com potencial para fornecer energia elétrica contínua e básica.

Chris Rodenbeck, Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA

A beleza das microondas é que elas não são absorvidas pelas nuvens aqui na Terra e, portanto, passariam em grande parte (embora não totalmente) desimpedidas pela nossa atmosfera. Glaser previu que eles seriam coletados por uma antena fixa de 3 km de diâmetro, onde seriam convertidos em eletricidade para a rede. “Embora o uso de satélites para conversão de energia solar possa estar a várias décadas de distância”, escreveu ele, “é possível explorar vários aspectos da tecnologia necessária como um guia para desenvolvimentos futuros”.

A reação inicial foi positiva em pelo menos alguns setores, com a NASA concedendo à empresa de Glaser, Arthur D Little, um contrato para estudos adicionais. Ao longo dos anos, no entanto, as conclusões de estudos subsequentes sobre a energia solar baseada no espaço variaram de cautelosamente positivas a aparentemente negativas.

Em 2015, por exemplo, a tecnologia não recebeu mais do que um veredicto morno em um relatório do Strategic Studies Institute (SSI) do US Army War College, que não citou “nenhuma evidência convincente” de que a energia solar espacial pudesse ser economicamente competitiva com a geração de energia terrestre. O SSI criticou particularmente as “suposições questionáveis” feitas pelos seus proponentes em relação à colocação de uma estrutura orbital tão grande no espaço. Simplificando, o relatório afirma que não existem veículos de lançamento suficientes e que os que estão disponíveis são demasiado caros.

Mas o veredicto nada brilhante do SSI veio antes das empresas privadas – especialmente SpaceX – começou a transformar a indústria espacial. Ao combinar sistemas de foguetes reutilizáveis ​​com uma atitude de tentativa e erro em relação à investigação e desenvolvimento, a empresa norte-americana reduziu, ao longo da última década, o custo do lançamento em órbita próxima da Terra em mais de um factor de 10 (por quilo de carga útil). ), com planos para reduzi-lo ainda mais em uma ordem de grandeza. O que o SSI considerou uma grande limitação sobre os custos de lançamento, na verdade, não é mais um problema.

Não que o custo de levar um satélite ao espaço tenha sido o único ponto de discórdia. O conceito original de Glaser era aparentemente simples, com muitos desafios ocultos. Para começar, à medida que um satélite orbita a Terra, o ângulo entre o Sol, a nave e o ponto na Terra para o qual a energia é enviada muda constantemente. Por exemplo, se um satélite geoestacionário for direcionado para a Terra, a sua energia fotovoltaica estará voltada para o Sol ao meio-dia, mas estará de costas para o Sol à meia-noite. Ou seja, o satélite não geraria eletricidade o tempo todo.

A solução original para este problema era girar continuamente os painéis fotovoltaicos em relação aos transmissores de micro-ondas, que permaneceriam fixos. Os painéis fotovoltaicos apontariam então sempre para o Sol, enquanto os transmissores estariam sempre voltados para a Terra. Apresentada pela primeira vez em 1979 pela NASA como um desenvolvimento das ideias de Glaser, a solução foi ampliada ainda mais em uma proposta de 2015 por engenheiros da Academia Chinesa de Tecnologia Espacial em Pequim, que a apelidaram de Satélite de Energia Solar de Articulações Multi-Rotárias, ou MR-SPS (Figura 1).

Enquanto isso, John Mankins, um ex-engenheiro da NASA, inventou uma solução rival em 2012. Apelidada SPS Alfa, sua ideia era manter os painéis solares e o transmissor fixos, mas instalar vários espelhos ao redor dos painéis (figura 2). Conhecidos como helióstatos, estes espelhos seriam capazes de rodar, redirecionando continuamente a luz solar para os painéis solares e permitindo assim que o satélite fornecesse energia à Terra sem interrupção.

Nem o MR-SPS nem o SPS Alpha, no entanto, são satisfatórios, de acordo com Ian Dinheiro, diretor e engenheiro-chefe da Companhia elétrica internacional limitada em Oxfordshire, Reino Unido. Ex-projetista de sistemas eletrónicos nos setores automóvel, aeroespacial e energético, Cash voltou a sua atenção há uma década para o desenvolvimento privado de fontes de energia limpas e em grande escala. Inicialmente atraído pelo potencial da fusão nuclear, ele foi desencorajado pelos seus problemas “realmente difíceis” e rapidamente optou pela energia solar baseada no espaço como a opção mais prática.

Para Cash, o problema tanto do MR-SPS quanto do SPS Alpha é que eles precisam girar algumas partes do satélite em relação a outras. Cada parte teria, portanto, que estar fisicamente conectada a outra e precisaria de uma junta articulada que se movesse. O problema é que, quando usadas em satélites como a Estação Espacial Internacional, essas juntas podem falhar devido ao desgaste. A omissão das juntas articuladas tornaria um satélite de energia solar mais confiável, concluiu Cash. “Eu queria descobrir o que seria necessário para ter uma solução de estado sólido que sempre visse o Sol e a Terra”, diz ele.

Em 2017, Cash já havia descoberto, ou pelo menos é o que afirma. Dele Conceito CASSIOPeiA é um satélite que se parece essencialmente com uma escada em espiral, sendo os painéis fotovoltaicos os “degraus” e os transmissores de micro-ondas – dipolos em forma de bastão – os “risers”. A sua geometria helicoidal inteligente significa que o CASSIOPeiA pode receber e transmitir energia solar 24 horas por dia, sem partes móveis (figura 3).

Cash, que pretende lucrar com a CASSIOPeiA licenciando a propriedade intelectual relacionada, reivindica muitos outros benefícios ao seu conceito. O satélite proposto pode ser construído com centenas (e possivelmente milhares) de módulos menores interligados, com cada módulo capturando energia solar, convertendo-a eletronicamente em microondas e depois transmitindo-as para a Terra. A beleza desta abordagem é que se qualquer módulo fosse atingido por raios cósmicos ou detritos espaciais, a sua falha não destruiria todo o sistema.

Outra vantagem do CASSIOPeiA é que os componentes não fotovoltaicos ficam permanentemente na sombra, o que minimiza a dissipação de calor – algo que é um problema no vácuo sem convecção do espaço. Finalmente, como o satélite está sempre orientado para o Sol pode ocupar mais tipos de órbitas, incluindo aquelas altamente elípticas. Então estaria, às vezes, mais próximo da Terra do que se fosse geoestacionário, o que o torna mais barato, já que não é necessário dimensionar o projeto com base em um transmissor tão grande.

Talvez sem surpresa, os concorrentes de Cash não concordam com a sua avaliação. Mankins, que agora está baseado em Soluções de gestão de inovação Artemis na Califórnia, EUA, contesta que os helióstatos articulados no seu conceito SPS-Alpha sejam um problema. Em vez disso, ele afirma que são “uma simples extensão de [uma] tecnologia muito madura” que já é usada para concentrar a luz solar para aquecer fluidos e acionar turbinas em “torres solares” aqui na Terra. Ele também acredita que os espelhos duplos exigidos pelo CASSIOPeiA podem ser um problema, pois devem ser construídos com muita precisão.

“Tenho grande consideração por Ian e seu trabalho; seu conceito CASSIOPeiA mais recente é um dos vários de natureza muito semelhante, incluindo o SPS-Alpha”, diz Mankins. “No entanto, não concordo com sua expectativa de que o CASSIOPeiA se mostre superior ao SPS-Alpha.” Para Mankins, a melhor abordagem à energia solar baseada no espaço dependerá, em última análise, dos resultados dos projectos de desenvolvimento, sendo o custo real por quilowatt-hora de electricidade aqui na Terra o factor crucial.

Escalável e impressionante

O interesse pela energia solar espacial recebeu um impulso adicional na sequência da Relatório de 2021 do governo do Reino Unido na tecnologia, o que dificilmente poderia ter sido mais positivo em relação ao conceito. Foi elaborado por engenheiros da consultoria com sede no Reino Unido Frazer-Nash, que se correspondeu com vários especialistas em engenharia espacial e energia – incluindo os inventores do SPS Alpha, MR-SPS e CASSIOPeiA.

O relatório concluiu que um satélite CASSIOPeiA de 1.7 km de largura em órbita geoestacionária transmitindo radiação solar para uma área de 100 km² Um conjunto de receptores de micro-ondas (ou “retena”) localizados aqui na Terra geraria 2 GW de energia contínua. Isso é equivalente à produção de uma grande central elétrica convencional. Também é muito melhor do que, digamos, o existente Parque eólico London Array no estuário do Tamisa, que é cerca de 25% maior, mas gera uma potência média de apenas 190 MW.

Mais impressionante, porém, foi a análise económica do relatório. Com base numa estimativa de que um sistema de tamanho real custaria 16.3 mil milhões de libras para ser desenvolvido e lançado, e permitindo uma taxa mínima de retorno sobre o investimento de 20% em termos anuais, concluiu que um sistema de energia solar baseado no espaço poderia, ao longo da sua vida útil de aproximadamente 100 anos, gerar energia a £50 por MWh.

Frazer-Nash diz que isso é 14–52% mais caro do que a atual energia eólica e solar terrestre. Mas, fundamentalmente, é 39-49% mais barato do que a biomassa, a energia nuclear ou as fontes de energia a gás mais eficientes, que são as únicas actualmente capazes de oferecer energia de “carga de base” ininterrupta. Os autores do relatório também afirmaram que a sua estimativa conservadora de custos “seria de esperar que diminuíssem à medida que o desenvolvimento prossegue”.

“É incrivelmente escalável”, diz Martin Soltau de Frazer-Nash, um dos autores. E como o nível de luz solar no espaço ao redor da Terra é muito mais brilhante do que lá embaixo, ele calcula que cada módulo solar coletaria 10 vezes mais do que se fosse instalado no solo. O relatório calcula que o Reino Unido precisaria de um total de 15 satélites – cada um com a sua própria antena – para fornecer um quarto das necessidades energéticas do país até 2050. Cada antena poderia estar localizada ao lado ou mesmo dentro de um parque eólico existente.

Se o esquema fosse ainda mais ampliado, poderia, em princípio, satisfazer mais de 150% de toda a procura mundial de electricidade (embora um fornecimento de energia resiliente normalmente ditasse uma ampla combinação de fontes). A energia solar baseada no espaço, acrescenta Soltau, também teria um impacto muito menor no ambiente do que as fontes de energia renováveis ​​baseadas na Terra. A pegada de carbono seria pequena, haveria pouca procura de minerais de terras raras e, ao contrário das turbinas eólicas, não haveria ruído nem estruturas altas visíveis.

Se tudo isso parece bom demais para ser verdade, pode muito bem ser. O relatório Frazer-Nash admite vários “problemas de desenvolvimento”, nomeadamente encontrar formas de tornar a transferência de energia sem fios mais eficiente. Chris Rodenbeck, engenheiro elétrico do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington DC, diz que é difícil conseguir demonstrações em larga escala da tecnologia. Exigem investimentos sustentados e avanços direcionados em componentes eletrónicos, como díodos retificadores de alta potência, que não estão prontamente disponíveis.

Felizmente, a transmissão de energia sem fio vem avançando há décadas. Em 2021, a equipe de Rodenbeck enviou 1.6 kW de energia elétrica a uma distância de 1 km, com uma eficiência de conversão de micro-ondas em eletricidade de 73%. À primeira vista, isso é menos impressionante do que a demonstração mais poderosa de energia sem fio até hoje, que ocorreu em 1975, quando a equipe da Laboratório Goldstone da NASA na Califórnia, converteu microondas de 10 GHz em eletricidade com uma eficiência superior a 80%. Crucialmente, porém, Rodenbeck usou microondas de baixa frequência de 2.4 GHz, que sofreriam muito menos perdas atmosféricas no espaço.

Para neutralizar a maior difração (espalhamento do feixe) que ocorre naturalmente em frequências mais baixas, os pesquisadores exploraram o terreno circundante para “rebater” as microondas em direção ao conjunto receptor, melhorando assim a densidade de potência em 70% (IEEE J. Microw. 2 28). “Fizemos [o teste] de forma bastante rápida e barata durante a pandemia global”, diz Rodenbeck. “Poderíamos ter conseguido mais.”

A construção inicial exigirá uma fábrica no espaço 24 horas por dia, 7 dias por semana, com uma linha de montagem semelhante a uma fábrica de automóveis na Terra.

Yang Gao, Universidade de Surrey

Rodenbeck está otimista quanto às perspectivas da energia solar baseada no espaço. Enquanto a fusão nuclear, afirma ele, “enfrenta problemas básicos da física”, a energia solar baseada no espaço – e a transferência de energia sem fios – está apenas “enfrentando dólares”. “[É] a única forma de energia verde e renovável com potencial para fornecer energia elétrica contínua e básica”, afirma Rodenbeck. “Salvo um avanço técnico [na] fusão nuclear controlada, parece altamente provável que a humanidade aproveitará a energia solar espacial para necessidades energéticas futuras.”

Uma nota de cautela, porém, vem de Yang Gao, engenheiro espacial da Universidade de Surrey, no Reino Unido, que admite que “a escala” do sistema espacial proposto “é bastante alucinante”. Ela acredita que a construção inicial pode exigir “uma fábrica no espaço 24 horas por dia, 7 dias por semana, com uma linha de montagem como uma fábrica de automóveis na Terra”, provavelmente usando robôs autônomos. Quanto à manutenção das instalações, uma vez construídas, Gao diz que seria “exigente”.

Para Cash, o que é crucial é a órbita que um satélite de potência espacial ocuparia. Um satélite geoestacionário de energia solar estaria tão longe da Terra que seriam necessários transmissores e rectenas enormes e caros para transmitir energia de forma eficiente. Mas, ao tirar vantagem de múltiplos satélites em órbitas mais curtas e altamente elípticas, diz Cash, os investidores poderiam realizar sistemas funcionais menores no conceito CASSIOPeiA com uma fração do capital. O SPS Alpha e o MR-SPS, por outro lado, teriam que estar em tamanho real desde o primeiro dia.

Existe vontade suficiente?

E, no entanto, o maior desafio para a energia solar baseada no espaço pode não ser económico ou técnico, mas sim político. Num mundo onde um número substancial de pessoas acredita em teorias da conspiração em torno da tecnologia móvel 5G, transmitir gigawatts de energia de microondas do espaço para a Terra pode ser uma tarefa difícil de vender – apesar da intensidade máxima do feixe ser de apenas 250 W/m², menos de um quarto da intensidade solar máxima no equador.

Na verdade, o relatório do Reino Unido admite que os seus proponentes precisam de testar o apetite do público e de “organizar uma conversa” em torno das ideias-chave. Mas também existem considerações técnicas e sociais reais. Onde as retenas serão instaladas? Como os satélites serão desativados no final de sua vida útil sem aumentar o lixo espacial? Haverá espaço no espectro de microondas para mais alguma coisa? E o sistema ficará vulnerável a ataques?

Na sequência do seu relatório, o O governo do Reino Unido revelou um fundo de £ 3 milhões para ajudar as indústrias a desenvolver algumas das principais tecnologias, com o ex-secretário de negócios Kwasi Kwarteng dizendo que a energia solar baseada no espaço “poderia fornecer uma fonte de energia acessível, limpa e confiável para todo o mundo”. É improvável que esse dinheiro vá muito longe para um empreendimento desta escala, e é por isso que Soltau ajudou a criar um negócio chamado Espaço Solar, que espera arrecadar inicialmente £ 200 milhões de investidores privados.

Enquanto isso, o que ele chama de “colaboração dos dispostos”, o Iniciativa de Energia Espacial, reuniu cientistas, engenheiros e funcionários públicos de mais de 50 instituições acadêmicas, empresas e órgãos governamentais, que trabalham pro bono para ajudar a concretizar um sistema funcional. A SpaceX ainda não está na lista, mas Soltau afirma ter chamado a atenção da empresa norte-americana. “Eles estão muito interessados”, diz ele.

Cash não tem dúvidas de que o investimento será encontrado. As energias renováveis ​​terrestres não podem fornecer energia de base ininterrupta sem uma infra-estrutura de baterias extremamente dispendiosa, enquanto a energia nuclear enfrenta sempre forte oposição. A energia solar baseada no espaço, acredita Cash, é uma parte vital do mix se quisermos atingir o zero líquido, e simplesmente pedir às pessoas que usem menos energia é uma “ideia perigosa”. A maioria das guerras foi travada por uma aparente falta de recursos”, diz ele. “Se não analisarmos como manter a civilização avançando, a alternativa será muito assustadora.”