Noțiunea de a capta lumina soarelui în spațiu și de a o transmite către Pământ a fost de multă vreme obiectul science-fiction-ului. Dar ca Jon Cartwright descoperă, guvernele din întreaga lume iau acum în serios „energia solară din spațiu” ca o potențială soluție pentru nevoile noastre energetice
Fizicianul teoretician Freeman Dyson și-a imaginat odată o civilizație extraterestră care era atât de avansată încât și-a înconjurat steaua părinte cu o coajă artificială uriașă. Suprafața interioară a acesteia „Sfera Dyson” ar capta radiația solară și o va transfera către punctele de colectare, unde ar fi transformată în energie utilizabilă. O astfel de noțiune rămâne science-fiction, dar un principiu similar ar putea fi folosit la o scară mult mai mică pentru a valorifica puterea propriului nostru Soare?
La urma urmei, dincolo de nori, în flăcării fără noapte a spațiului din apropierea Pământului, există mai multă energie solară neîntreruptă decât ar putea necesita omenirea în mod realist pentru secolele următoare. De aceea, un grup de oameni de știință și ingineri, de mai bine de 50 de ani, visează tehnici pentru a capta această energie în spațiu și a o transmite înapoi la sol.
„Energerea solară bazată pe spațiu”, așa cum este cunoscută, are două avantaje uriașe față de metodele tradiționale de atingere a Soarelui și a vântului. În primul rând, plasarea unui satelit care captează lumina soarelui în spațiu înseamnă că nu ar fi nevoie să acoperim zone vaste de pământ de pe Pământ cu panouri solare și parcuri eoliene. În al doilea rând, am avea o cantitate mare de energie chiar și atunci când, în ciuda condițiilor meteo locale, este înnorat sau vântul s-a stins.
Și acesta este problema cu energia solară și energia eoliană aici pe Pământ: ele nu pot satisface niciodată cerințele noastre de energie în mod constant, chiar dacă sunt foarte extinse. Cercetătorii de la Universitatea din Nottingham au estimat anul trecut că, dacă Marea Britanie s-ar baza în totalitate pe aceste surse regenerabile, țara ar trebui să stocheze mai mult de 65 terawatt-oră de energie. Aceasta ar costa peste 170 de miliarde de lire sterline, mai mult de două ori mai mult decât viitoarea rețea feroviară de mare viteză a țării. (energiile 14 8524).
Cele mai multe eforturi de a realiza energie solară din spațiu au lovit, din păcate, probleme tehnice și economice aparent insolubile. Dar vremurile se schimbă. Design-urile inovatoare ale sateliților, precum și costurile de lansare mult mai mici, fac brusc ca energia solară din spațiu să pară o soluție realistă. Japonia a scris-o în lege ca obiectiv național, în timp ce Agenția Spațială Europeană a lansat un apel la idei. China și SUA sunt ambele clădiri de testare.
Între timp, a consultare publicată de guvernul Regatului Unit în 2021 a concluzionat că energia solară din spațiu este fezabilă din punct de vedere tehnic și economic. În mod tentant, a considerat că această soluție tehnologică ar putea fi pusă în practică cu 10 ani înainte de obiectivul „net zero” pentru 2050 al Grupului Interguvernamental de Expertiză pentru Schimbările Climatice. Deci este energia solară din spațiu răspunsul la problemele climatice? Și dacă da, ce îl împiedică să devină realitate?
Vise spațiale
Conceptul original al energiei solare din spațiu a fost conceput în 1968 de Peter Glaser, un inginer american la firma de consultanță Arthur D Little. El a avut în vedere plasarea unui satelit uriaș în formă de disc pe o orbită geostaționară la aproximativ 36,000 km deasupra Pământului. (Ştiinţă 162 857). Satelitul, de aproximativ 6 km în diametru, ar fi făcut din panouri fotovoltaice pentru a colecta lumina soarelui și a o transforma în energie electrică. Această energie ar fi apoi transformată în microunde folosind un amplificator cu tub și transmisă către Pământ printr-un transmițător cu diametrul de 2 km.
Este singura formă de energie verde, regenerabilă, cu potențialul de a furniza energie electrică continuă, de bază.
Chris Rodenbeck, Laboratorul de Cercetare Navală din SUA
Frumusețea microundelor este că nu sunt absorbite de nori aici pe Pământ și astfel ar trece în mare parte (deși nu în totalitate) nestingherite prin atmosfera noastră. Glaser a avut în vedere ca acestea să fie colectate de o antenă fixă de 3 km diametru, unde să fie transformate în energie electrică pentru rețea. „Deși utilizarea sateliților pentru conversia energiei solare poate fi la câteva decenii”, a scris el, „este posibil să se exploreze mai multe aspecte ale tehnologiei necesare ca ghid pentru evoluțiile viitoare.”
Reacția inițială a fost pozitivă în cel puțin unele trimestre, NASA acordând companiei lui Glaser, Arthur D Little, un contract pentru studii suplimentare. Cu toate acestea, de-a lungul anilor, concluziile studiilor ulterioare asupra energiei solare din spațiu au variat de la prudent pozitiv la negativ în exterior.
1 articulații multi-rotative prin satelit de energie solară (MR-SPS)
Acest concept de energie solară bazată pe spațiu se bazează pe propunerile originale din 1968 concepute de inginerul american Peter Glaser. Cunoscut sub numele de Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite (MR-SPS), a fost inventat în 2015 de Hou Xinbin și alții la Academia Chinei de Tehnologie Spațială din Beijing. Satelitul de 10,000 de tone, care are o lățime de aproximativ 12 km, s-ar mișca pe o orbită geostaționară la aproximativ 36,000 km deasupra Pământului, cu lumina solară colectată de panouri solare și transformată în microunde care sunt transmise către Pământ de un transmițător central. Pentru a permite ca puterea să ne fie transmisă în mod continuu, panourile fotovoltaice se pot întoarce spre Soare în raport cu transmițătorul central, care este întotdeauna îndreptat spre Pământ. Panourile solare și transmițătorul sunt conectate printr-o schelă dreptunghiulară singulară. Spre deosebire de modelele rivale, conceptul MR-SPS nu se bazează pe oglinzi.
În 2015, de exemplu, tehnologia a primit doar un verdict călduț într-un raport al Institutului de Studii Strategice (SSI) al Colegiului de Război al Armatei SUA, care a citat „nicio dovadă convingătoare” că energia solară spațială ar putea fi competitivă din punct de vedere economic cu generarea de energie terestră. SSI a criticat în special „presupunerile discutabile” făcute de susținătorii săi cu privire la introducerea unei astfel de structuri orbitale uriașe în spațiu. Mai simplu spus, raportul spunea că nu există suficiente vehicule de lansare, iar cele care sunt disponibile sunt prea scumpe.
Dar verdictul SSI mai puțin strălucitor a venit înaintea companiilor private – în special SpaceX – a început să transforme industria spațială. Prin combinarea sistemelor de rachete reutilizabile cu o atitudine de încercare și eroare față de cercetare și dezvoltare, firma americană a redus, în ultimul deceniu, costul lansării pe orbita apropiată a Pământului cu mai mult de un factor de 10 (pe kilogram de sarcină utilă). ), cu planuri de reducere a acesteia cu un ordin de mărime în continuare. Ceea ce SSI a considerat o limitare majoră a costurilor de lansare nu mai este, de fapt, o problemă.
Nu că costul aducerii unui satelit în spațiu ar fi fost singurul punct de blocare. Conceptul original al lui Glaser a fost înșelător de simplu, cu multe provocări ascunse. Pentru început, pe măsură ce un satelit orbitează în jurul Pământului, unghiul dintre Soare, ambarcațiune și punctul de pe Pământ către care este trimisă energia este în continuă schimbare. De exemplu, dacă un satelit geostaționar este antrenat pe Pământ, sistemele fotovoltaice ale acestuia vor fi orientate spre Soare la prânz, dar vor avea spatele la Soare la miezul nopții. Cu alte cuvinte, satelitul nu ar genera electricitate tot timpul.
Soluția originală la această problemă a fost rotirea continuă a panourilor fotovoltaice în raport cu transmițătoarele cu microunde, care ar rămâne fixe. Panourile fotovoltaice ar îndrepta întotdeauna spre Soare, în timp ce emițătoarele ar fi întotdeauna orientate spre Pământ. Înaintată pentru prima dată în 1979 de NASA ca o dezvoltare a ideilor lui Glaser, soluția a fost extinsă și mai mult într-o propunere din 2015 a inginerilor de la Academia Chinei de Tehnologie Spațială din Beijing, care a numit-o Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, sau MR-SPS (figura 1).
Între timp, John Mankins, un fost inginer NASA, a inventat o soluție rivală în 2012. Dublat SPS Alpha, ideea lui a fost să țină fix panourile solare și emițătorul, dar să instaleze numeroase oglinzi în jurul panourilor (figura 2). Cunoscute sub numele de heliostate, aceste oglinzi s-ar putea roti, redirecționând continuu lumina soarelui pe panourile solare și permițând astfel satelitului să furnizeze energie Pământului fără pauză.
2 SPS-Alpha
În conceptul SPS-Alpha, inventat de fostul inginer NASA John Mankins în SUA, corpul principal al satelitului – panourile solare și transmițătorul – este fix și este întotdeauna orientat spre Pământ. Staționat pe o orbită geostaționară, satelitul de 8000 de tone constă dintr-o serie de module în formă de disc care convertesc lumina solară în electricitate prin intermediul fotovoltaic și apoi transmit acea energie sub formă de microunde. Conectată la această matrice cu diametrul de 1700 m este o matrice separată, mai mare, în formă de cupolă, de oglinzi, care se rotesc independent pentru a reflecta lumina soarelui către matrice, în funcție de locul în care este poziționat Soarele în raport cu Pământul pe orbita geostaționară.
Nici MR-SPS, nici SPS Alpha, însă, nu sunt satisfăcătoare, potrivit Ian Cash, director și inginer șef la International Electric Company Limited în Oxfordshire, Marea Britanie. Fost designer de sisteme electronice în sectoarele auto, aerospațial și energetic, Cash și-a îndreptat mintea în urmă cu un deceniu către dezvoltarea privată a surselor de energie curate, la scară largă. Ademenit inițial de potențialul fuziunii nucleare, el a fost descurajat de problemele sale „cu adevărat dificile” și a recurs rapid la energia solară din spațiu ca opțiune cea mai practică.
Pentru Cash, problema atât cu MR-SPS, cât și cu SPS Alpha este că trebuie să rotească unele părți ale satelitului față de altele. Prin urmare, fiecare parte ar trebui să fie conectată fizic la o alta și ar avea nevoie de o articulație articulată care se mișcă. Problema este că, atunci când sunt utilizate pe sateliți precum Stația Spațială Internațională, astfel de îmbinări se pot defecta din cauza uzurii. Omiterea îmbinărilor articulate ar face un satelit cu energie solară mai fiabil, a concluzionat Cash. „Am vrut să aflu de ce ar fi nevoie pentru a avea o soluție solidă care să vadă întotdeauna Soarele și Pământul”, spune el.
Până în 2017, Cash și-a dat seama, sau așa susține el. A lui Conceptul CASSIOPeiA este un satelit care arată în esență ca o scară în spirală, panourile fotovoltaice fiind „treptele” și transmițătoarele cu microunde – dipoli în formă de tijă – fiind „conaltatorii”. Geometria sa inteligentă elicoidă înseamnă că CASSIOPeiA poate primi și transmite energie solară 24 de ore pe zi, fără părți în mișcare (figura 3).
Cash, care intenționează să profite de pe urma CASSIOPeiA prin licențierea proprietății intelectuale aferente, pretinde multe alte beneficii conceptului său. Satelitul propus de el poate fi construit din sute (și posibil mii) de module mai mici legate între ele, fiecare modul captând energia solară, transformând-o electronic în microunde și apoi transmițându-le pe Pământ. Frumusețea acestei abordări este că, dacă un modul ar fi lovit de raze cosmice sau de resturi spațiale, eșecul său nu ar distruge întregul sistem.
Un alt avantaj al CASSIOPeiA este că componentele non-fotovoltaice sunt în permanență în umbră, ceea ce minimizează disiparea căldurii – ceva care este o problemă în vidul fără convecție al spațiului. În cele din urmă, deoarece satelitul este întotdeauna orientat spre Soare, acesta poate ocupa mai multe tipuri de orbită, inclusiv cele care sunt foarte eliptice. Atunci ar fi, uneori, mai aproape de Pământ decât dacă ar fi geostaționar, ceea ce îl face mai ieftin, deoarece nu trebuie să scalați designul pe baza unui transmițător atât de uriaș.
3 CASSIOPeA
a Propunerea CASSIOPeiA pentru energia solară bazată pe spațiu, dezvoltată de Ian Cash la International Electric Company Limited din Marea Britanie, prevede un satelit cu o masă de până la 2000 de tone așezat pe o orbită geosincronă sau eliptică în jurul Pământului. b Lumina soarelui lovește două oglinzi eliptice uriașe (discuri galbene), fiecare cu un diametru de până la 1700 m, care se află la 45° față de o matrice elicoidă de până la 60,000 de panouri solare (gri). Aceste panouri colectează lumina soarelui și o transformă în microunde la o anumită frecvență, care sunt apoi transmise unei stații terestre de pe Pământ cu un diametru de aproximativ 5 km. Această stație transformă cuptorul cu microunde în energie electrică pentru rețea. Avantajul geometriei elicoidale este că microundele pot fi direcționate în mod constant către Pământ, fără a avea nevoie de îmbinări articulate, care deseori eșuează în mediile spațiale. c În schimb, microundele sunt direcționate prin ajustări la faza relativă a dipolilor în stare solidă.
Poate deloc surprinzător, concurenții lui Cash nu sunt de acord cu evaluarea lui. Mankins, care acum are sediul la Soluții de management al inovației Artemis în California, SUA, contestă faptul că heliostatele articulate din conceptul său SPS-Alpha sunt o problemă. În schimb, el susține că sunt „o simplă extensie a [o] tehnologie foarte matură” care este deja folosită pentru a concentra lumina soarelui pentru a încălzi fluide și a conduce turbinele în „turnuri solare” aici pe Pământ. De asemenea, crede că oglinzile duale cerute de CASSIOPeiA ar putea fi o problemă deoarece trebuie construite foarte precis.
„Am mare respect pentru Ian și munca lui; conceptul său mai recent CASSIOPeiA este unul dintre multele care sunt foarte asemănătoare ca caracter, inclusiv SPS-Alpha”, spune Mankins. „Cu toate acestea, nu sunt de acord cu așteptarea lui că CASSIOPeiA se va dovedi a fi superior SPS-Alpha.” Pentru Mankins, cea mai bună abordare a energiei solare din spațiu va depinde în cele din urmă de rezultatele proiectelor de dezvoltare, costul real pe kilowatt-oră de electricitate aici pe Pământ fiind factorul crucial.
Scalabil și izbitor
Interesul pentru energia solară spațială a primit un impuls suplimentar în urma Raportul 2021 al guvernului britanic în tehnologie, care cu greu ar fi putut fi mai pozitivă în privința conceptului. A fost elaborat de inginerii de la firma de consultanță din Marea Britanie Frazer-Nash, care a corespondat cu o serie de experți în inginerie spațială și energie – inclusiv inventatorii SPS Alpha, MR-SPS și CASSIOPeiA.
Raportul a concluzionat că un satelit CASSIOPeiA cu lățimea de 1.7 km pe orbită geostaționară transmite radiația solară la o distanță de 100 km.2 o serie de receptoare cu microunde (sau „rectenna”) situate aici pe Pământ ar genera 2 GW de putere continuă. Aceasta este echivalentă cu producția de la o centrală electrică convențională mare. De asemenea, este mult mai bun decât, să zicem, cel existent Parcul eolian London Array în estuarul Tamisei, care este cu aproximativ 25% mai mare, dar generează o putere medie de abia 190 MW.
Mai frapantă, însă, a fost analiza economică a raportului. Pe baza unei estimări conform căreia un sistem de dimensiune completă ar costa 16.3 miliarde de lire sterline pentru dezvoltare și lansare și permițând o rată minimă de rentabilitate a investiției de 20% de la an la an, a concluzionat că un sistem de energie solară bazat pe spațiu ar putea, pe durata de viață de aproximativ 100 de ani, să genereze energie la 50 de lire sterline pe MWh.
Frazer-Nash spune că este cu 14–52% mai scump decât energia solară și eoliană terestră actuală. Dar, în mod critic, este cu 39–49% mai ieftin decât biomasă, nucleară sau cele mai eficiente surse de energie cu gaz, care sunt singurele capabile în prezent să ofere putere neîntreruptă de „sarcină de bază”. Autorii raportului au spus, de asemenea, că estimarea lor conservatoare pentru costuri „ar fi de așteptat să se reducă pe măsură ce dezvoltarea continuă”.
„Este incredibil de scalabil”, spune Martin Soltau lui Frazer-Nash, unul dintre autori. Și având în vedere că nivelul luminii solare din spațiul din jurul Pământului este mult mai strălucitor decât cel de jos, el consideră că fiecare modul solar ar colecta de 10 ori mai mult decât ar fi fost instalat pe sol. Raportul consideră că Regatul Unit ar avea nevoie de un total de 15 sateliți – fiecare cu propria sa rectennă – pentru a asigura un sfert din necesarul de energie al țării până în 2050. Fiecare rectennă ar putea fi amplasată lângă sau chiar în interiorul unui parc eolian existent.
Dacă schema ar fi extinsă în continuare, ar putea, în principiu, să furnizeze peste 150% din întreaga cerere globală de energie electrică (deși o aprovizionare rezistentă cu energie ar dicta, de obicei, un mix larg de surse). Energia solară din spațiu, adaugă Soltau, ar avea, de asemenea, un impact mult mai mic asupra mediului decât sursele de energie regenerabilă de pe Pământ. Amprenta de carbon ar fi mică, ar fi puține solicitări pentru mineralele din pământuri rare și, spre deosebire de turbinele eoliene, nu ar exista zgomot sau structuri vizibile înalte.
Dacă totul sună prea frumos pentru a fi adevărat, s-ar putea să fie. Raportul Frazer-Nash admite mai multe „probleme de dezvoltare”, în special găsirea modalităților de a face transferul de energie fără fir mai eficient. Chris Rodenbeck, un inginer electrician de la Laboratorul de Cercetare Navală al SUA din Washington DC, spune că demonstrațiile la scară largă ale tehnologiei sunt greu de realizat. Acestea necesită investiții susținute și progrese specifice în componentele electronice, cum ar fi diodele redresoare de mare putere, care nu sunt ușor disponibile.
Din fericire, transmisia de energie fără fir a avansat de zeci de ani. În 2021, echipa lui Rodenbeck a trimis 1.6 kW de putere electrică pe o distanță de 1 km, cu o eficiență de conversie a microundelor în energie electrică de 73%. În primul rând, aceasta este mai puțin impresionantă decât cea mai puternică demonstrație de energie wireless de până acum, care a avut loc în 1975, când personalul de la Laboratorul Goldstone al NASA în California a convertit microundele de 10 GHz în electricitate la o eficiență de peste 80%. În mod esențial, totuși, Rodenbeck a folosit microunde cu frecvență mai joasă de 2.4 GHz, care ar suferi mult mai puține pierderi atmosferice în spațiu.
Pentru a contracara difracția mai mare (difuzarea fasciculului) care apare în mod natural la frecvențe mai joase, cercetătorii au exploatat terenul înconjurător pentru a „sări” microundele către matricea receptorului, îmbunătățind astfel densitatea puterii cu 70% (IEEE J. Microw. 2 28). „Am făcut [testul] destul de repede și ieftin în timpul pandemiei globale”, spune Rodenbeck. „Am fi putut realiza mai mult.”
Construcția inițială va necesita o fabrică 24/7 în spațiu, cu o linie de asamblare ca o fabrică de mașini pe Pământ.
Yang Gao, Universitatea din Surrey
Rodenbeck este optimist cu privire la perspectivele energiei solare din spațiu. În timp ce fuziunea nucleară, susține el, „se confruntă cu probleme de bază ale fizicii”, energia solară din spațiu – și transferul de energie fără fir – este doar „confruntă cu dolari”. „[Este] singura formă de energie verde, regenerabilă, cu potențialul de a furniza energie electrică continuă, de bază”, susține Rodenbeck. „Cu excepția unei descoperiri tehnice [în] fuziunea nucleară controlată, pare foarte probabil ca omenirea să folosească energia solară spațială pentru nevoile viitoare de energie.”
O notă de precauție, totuși, vine de la Yang Gao, un inginer spațial la Universitatea din Surrey din Marea Britanie, care admite că „scala mare” a sistemului spațial propus „este destul de uimitoare”. Ea crede că construcția inițială ar putea necesita „o fabrică 24/7 în spațiu, cu o linie de asamblare ca o fabrică de mașini pe Pământ”, probabil folosind roboți autonomi. În ceea ce privește întreținerea instalației, odată construită, Gao spune că ar fi „obligatoriu”.
Pentru Cash, ceea ce este crucial este orbita pe care o va ocupa un satelit cu putere spațială. Un satelit geostaționar cu energie solară ar fi atât de departe de Pământ încât ar avea nevoie de transmițătoare și rectenne uriașe și scumpe pentru a transmite energie în mod eficient. Dar, profitând de mai mulți sateliți pe orbite mai scurte, foarte eliptice, spune Cash, investitorii ar putea realiza sisteme de lucru mai mici pe conceptul CASSIOPeiA cu o fracțiune din capital. SPS Alpha și MR-SPS, în schimb, ar trebui să fie de dimensiune completă din prima zi.
Există suficientă voință?
Și totuși, cea mai mare provocare pentru energia solară din spațiu poate să nu fie economică sau tehnică, ci politică. Într-o lume în care un număr substanțial de oameni cred în teoriile conspirației referitoare la tehnologia mobilă 5G, transmiterea de gigawați de putere a microundelor din spațiu pe Pământ s-ar putea dovedi o vânzare dificilă – în ciuda intensității maxime a fasciculului fiind de abia 250 W/m2, mai puțin de un sfert din intensitatea maximă solară la ecuator.
De fapt, raportul Regatului Unit admite că susținătorii săi trebuie să testeze apetitul publicului și să „cureze o conversație” în jurul ideilor cheie. Dar există și considerații tehnice și societale reale. Unde vor fi amplasate rectenele? Cum vor fi dezafectați sateliții la sfârșitul duratei de viață, fără a adăuga gunoi spațiale? Va mai rămâne spațiu în spectrul microundelor pentru altceva? Și va fi sistemul vulnerabil la atac?
În urma raportului său, Guvernul Marii Britanii a dezvăluit un fond de 3 milioane de lire sterline pentru a ajuta industriile să dezvolte unele dintre tehnologiile cheie, fostul secretar de afaceri Kwasi Kwarteng afirmând că energia solară din spațiu „ar putea oferi o sursă de energie accesibilă, curată și de încredere pentru întreaga lume”. Este puțin probabil ca acel vas de bani să meargă departe către o întreprindere de această amploare, motiv pentru care Soltau a ajutat la înființarea unei afaceri numite Space Solar, care speră să strângă o sumă inițială de 200 de milioane de lire sterline de la investitori privați.
Între timp, ceea ce el numește o „colaborare a celor dispuși”, cel Inițiativa pentru energia spațială, a reunit oameni de știință, ingineri și funcționari publici din peste 50 de instituții academice, companii și organisme guvernamentale, care lucrează pro bono pentru a contribui la realizarea unui sistem de lucru. SpaceX nu este încă pe listă, dar Soltau susține că a atras atenția companiei americane. „Sunt foarte interesați”, spune el.
Cash nu se îndoiește că investiția va fi găsită. Energiile regenerabile terestre nu pot furniza energie neîntreruptă, cu sarcină de bază, fără o infrastructură de baterii extrem de costisitoare, în timp ce nuclearul se confruntă întotdeauna cu o opoziție puternică. Cash crede că energia solară din spațiu este o parte vitală a mixului dacă vrem să atingem zero net, iar pur și simplu să le cerem oamenilor să folosească mai puțină energie este o „idee periculoasă”. Majoritatea războaielor s-au purtat din cauza lipsei percepute de resurse”, spune el. „Dacă nu ne uităm la cum să menținem civilizația să meargă înainte, alternativa este foarte înfricoșătoare.”
