¿Está lista la energía solar basada en el espacio para su momento en el sol?

Cuando el inventor Charles Fritts creó la primera celda solar fotovoltaica cruda en la década de 1880, uno podría haber pensado que el logro revolucionaría rápidamente la producción de electricidad en todo el mundo. Después de todo, no existe una fuente de energía que sea más barata, más limpia o más ubicua que la luz solar. Sin embargo, a pesar de los enormes (y continuos) avances tecnológicos que han hecho que la energía solar sea más poderosa y económica, unos 140 años después, todavía proporciona menos del 5% de la electricidad mundial. A pesar de todos los beneficios de la energía solar, también existen desventajas que limitan su uso; la principal de ellas es que, en un momento dado, la mitad de la superficie de la Tierra está a oscuras.

En 1968, el ingeniero aeroespacial estadounidense Peter Glaser detalló una posible solución a estos problemas que no solo funcionaba «fuera de la caja», sino que estaba completamente fuera de la atmósfera de la Tierra. En lugar de construir granjas solares gigantes en franjas de tierra ecológicamente frágiles, Glaser propone poner energía fotovoltaica en órbita con constelaciones de satélites alimentados por energía solar. Mientras está en órbita, no atenuada por las nubes y no afectada por el ciclo día-noche del planeta, la luz del sol se puede recolectar con una eficiencia óptima y transmitirse como microondas a una «rectenna» en tierra (rectenna). De vuelta en la Tierra, las microondas se convertirán en electricidad y se alimentarán a la red eléctrica mundial.

Sin embargo, entonces y en las décadas posteriores, los lanzamientos espaciales eran demasiado costosos y la energía fotovoltaica de muy bajo rendimiento para hacer realidad la brillante idea de Glaser. Pero ahora los avances tecnológicos, combinados con una creciente necesidad de energía limpia, están reviviendo el concepto de energía solar basada en el espacio (SBSP), con proyectos piloto que surgen en los EE. UU., China, Europa y Japón. A medida que comienza una nueva ronda de investigación, la pregunta sigue siendo: ¿Estará listo el SBSP para su momento de gloria?

paso hacia el futuro

En los Estados Unidos, impulsada por el rápido desarrollo de la industria espacial y la grave amenaza del cambio climático, la NASA sigue de cerca las perspectivas actuales y a corto plazo del SBSP. Nikolai Joseph, analista de políticas de la Oficina de Tecnología, Políticas y Estrategias (OTPS) de la NASA, es el autor principal de un próximo estudio de OTPS que analiza específicamente este método.Dado el creciente interés mundial en las posibilidades transformadoras Tiene sentido que SBSP, OTPS realicen investigaciones ahora, dijo.

«La energía solar basada en el espacio ha sido atractiva durante décadas, pero se consideró demasiado costosa para construir y lanzar naves espaciales que pudieran aprovecharla», dijo Joseph. «Ahora, los desarrollos tecnológicos durante la última década y los desarrollos en la industria espacial pueden significar que esto está cambiando… Es importante revisar periódicamente las buenas ideas e investigar las opciones. La NASA necesita saber qué es posible gracias a la energía solar basada en el espacio. Emergencia se cruzará con muchos de nuestros otros intereses. La NASA debe centrarse en todos los aspectos de la tecnología espacial. Siempre debemos estar orientados hacia el futuro».

Para la NASA, es probable que el uso futuro de SBSP más allá de la Tierra apoye el floreciente programa Artemis de la agencia espacial para la exploración lunar humana. Por ejemplo, las capacidades del SBSP alrededor de la Luna podrían ayudar a mejorar los puestos de avanzada y otras actividades de exploración en la superficie lunar. De manera más ambiciosa, la energía del rayo también podría usarse algún día para enviar naves espaciales a destinos interplanetarios o incluso interestelares sin la costosa molestia de llevar propulsor a bordo.

¿Panacea energética?

De vuelta en la Tierra, algunos consideran que SBSP es una forma ideal de lograr emisiones netas de gases de efecto invernadero cero y al mismo tiempo tener un suministro de electricidad estable, sostenible y abundante. A diferencia de la electricidad de la energía solar y eólica terrestres, que son más susceptibles a las condiciones ambientales fluctuantes, los SBSP pueden operar las 24 horas del día, los 7 días de la semana (proporcionando la llamada energía de carga base) al tiempo que permiten una distribución de energía ágil y receptiva a través de la red. poder “despachable”).

«Excepcionalmente, la energía solar basada en el espacio puede proporcionar energía de carga base y distribuible en los límites de la ciudad y, por lo tanto, es una nueva tecnología de energía limpia muy valiosa», dijo Martin Soltau, analista de Frazer-Nash Consultancy y copresidente del Departamento de Energía del Reino Unido. Iniciativa de Energía Espacial (SEI). “Otra ventaja es que la energía solar basada en el espacio no requiere un rediseño de la red. [rectennas] Ubicado cerca de interconexiones de red existentes, posiblemente junto a parques eólicos marinos existentes. El SEI es una asociación entre el gobierno, la industria y la academia para construir una flota de SBSP que se conectarán a la red eléctrica del Reino Unido para la década de 2040. Cada nave espacial en la flota teórica del SEI genera tanta electricidad como las centrales eléctricas alimentadas con carbón o nuclear. mucho.

Pero para que cualquiera de los escenarios se materialice, se requerirán múltiples rondas de pruebas espaciales sólidas. Es por eso que el SEI tiene la intención de lanzar un demostrador orbital primero para 2030, antes de que se estrene la flota completa de SBPS.

«Probablemente, las dos tecnologías más importantes que se probarán y demostrarán temprano en el espacio son el ensamblaje robótico autónomo de estas grandes estructuras y la entrega de energía desde el espacio a la Tierra a niveles de potencia significativos», dijo Soltau. «Hay muchos otros temas importantes que deben abordarse, como el entorno regulatorio y la asignación de espectro», agregó.

pruebas de alta tecnología

SEI no es la única empresa que realiza pruebas reales de hardware relacionado con SBSP. Varios proyectos para hacer esto están en marcha en todo el mundo.

La Academia de Tecnología Espacial de China y la Universidad Xidian de China han construido una estructura a gran escala para demostrar nuevas tecnologías de energía solar concentrada y transmisión de energía inalámbrica. El proyecto, cuyo nombre en código es «Chasing the Sun», que significa «Chasing the Sun», utiliza una torre de acero de 75 metros de altura construida en el Campus Sur de la Universidad de Xidian. La nueva instalación está diseñada para probar y validar la tecnología de la matriz de recolección de energía de membrana Opheral (OMEGA), un sistema concentrador para recolectar energía solar en órbita geoestacionaria.

Luego está el programa SOLARIS de la Agencia Espacial Europea, una agenda de investigación y desarrollo de tres años para explorar conceptos SBSP y tecnologías clave. El programa SOLARIS fue aprobado en la reunión del Consejo Ministerial de la ESA de noviembre de este año. El 18 de octubre, la ESA organizó un «Día de la Industria SOLARIS» para fortalecer las misiones de I+D del SBSP, que, de recibir apoyo, podrían llevarse a cabo en el período 2023-2025.

En Japón, los investigadores han estudiado obstinadamente el SBSP desde la década de 1980. Investigadores de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) han desarrollado un programa para desarrollar y probar nuevos métodos para controlar haces de energía y ensamblar grandes estructuras en órbita. Idealmente, este trabajo conducirá a un sistema SBSP dentro de uno o dos años. Además de la evaluación de la tesis, los investigadores japoneses del SBSP fabricaron tecnología para mejorar la precisión de los haces de energía láser y de microondas, y volaron equipos relacionados con el SBSP en cohetes suborbitales para recopilar datos técnicos.

De vuelta en los EE. UU., además de la NASA y sus intereses espaciales civiles, el Departamento de Defensa también está muy interesado en utilizar el SBSP para impulsar operaciones militares globales. El proyecto Space Solar Incremental Demonstration and Research (SSPIDR) del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. es el último esfuerzo allí, con la contribución de las empresas aeroespaciales Northrop Grumman y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL). SPPIDR realizó recientemente la primera prueba en tierra de un dispositivo experimental de vuelo espacial llamado Arachne. Se espera que Arachne se lance en 2025, y una de sus misiones será demostrar la capacidad de formar y enfocar haces de radiofrecuencia en órbita terrestre baja. Según la Fuerza Aérea, el objetivo de este esfuerzo es «proporcionar a las fuerzas expedicionarias un poder ininterrumpido, seguro y logísticamente flexible».

Al mismo tiempo, NRL fue pionera en el desarrollo de módulos especializados diseñados para aumentar la eficiencia de convertir la energía solar en microondas. Un dispositivo de prueba que los contiene, llamado módulo de antena RF fotovoltaica, incluso pasó más de 900 días en el espacio a bordo del secreto avión espacial robótico X-37B de la Fuerza Aérea de EE. UU.

flujo y reflujo

Paul Jaffe, un ingeniero electrónico de NRL con una larga historia de trabajo relacionado con SBSP, dice que el interés en el tema ha ido y venido a lo largo de los años, pero el aumento actual en los proyectos se debe a un progreso real significativo en las tecnologías habilitadoras clave.

«Históricamente, la objeción a SBSP ha sido un problema económico, principalmente un problema de costos de lanzamiento», dijo Jaffe. «Creo que las conclusiones sobre si tiene sentido económico todavía están abiertas. Todavía hay mucho desarrollo de tecnología de red que debe suceder para llegar al nivel de resiliencia y suministro que queremos disfrutar».

Antes de comprometerse a desarrollar un sistema completo, una demostración de hardware SBSP espacial es razonable y sensata, dijo Jaffe. Señaló que tales pruebas podrían costar cientos de millones de dólares, y que incluso con tal financiamiento inicial, el SBSP necesitaría apoyo político continuo. Que despegue depende, si no más, de factores económicos y regulatorios, así como de desarrollos tecnológicos.

«Todo se reduce a hacerlo de una manera que sea competitiva en costos con otras alternativas», dijo Jaffe.

John Mankins, ex tecnólogo de la NASA y activista del SBSP desde hace mucho tiempo, se mantiene optimista sobre el enfoque. Oportunamente, también es el actual copresidente del Comité Permanente sobre Energía Solar Espacial de la Academia Internacional de Astronáutica.

En el pasado, el programa SBSP se vio obstaculizado por tres obstáculos financieros interrelacionados: el alto costo de construir el hardware necesario, asegurarse de que el hardware fuera adecuado para el entorno espacial y luego ponerlo en órbita. “Los tres están rotos”, dijo Mankins, a medida que avanza la robótica espacial, la capacidad de producir componentes SBSP en masa y el precio de poner hardware en el espacio se desploma.

Colectivamente, esta cabeza triple de tendencias positivas podría reducir los costos de inversión iniciales en cientos de miles de millones de dólares, llevando a los SBSP a una nueva era de viabilidad económica, dijo. Eso, dice Mankins, es suficiente para despertar el interés y la participación en SBSP entre las corporaciones multinacionales de hoy.

pronóstico pesimista

No todos son optimistas sobre las perspectivas de SBSP. Un crítico notable es Amory Lovins, experto en política energética y cofundador y presidente emérito de RMI (anteriormente el Rocky Mountain Institute), una organización sin fines de lucro dedicada a mejorar las prácticas energéticas en todo el mundo. Es profesor adjunto en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Stanford y académico del Instituto Precourt de Investigación Energética de la Universidad.

El costo de lanzamiento «sigue siendo un gran obstáculo para SBSP», dijo Lovins, aunque el costo por kilogramo para lanzar cargas útiles a la órbita terrestre baja se ha reducido en un factor de aproximadamente 20 (comparando la curva de costo-rendimiento del transbordador espacial de la NASA con el costo- curva de rendimiento ofrecida por la NASA. curvas) en comparación con la familia de propulsores Falcon de SpaceX).

También existen preocupaciones de seguridad, dijo Lovins, quien recuerda los problemas que aún existían cuando el entusiasmo por el SBSP surgió por primera vez a fines de la década de 1960. «En ese momento, algunas personas se preguntaron si las armas de microhaz del espacio eran parte de la agenda», dijo. «En este momento, probablemente estemos más preocupados por agregar otra fuente de energía súper centralizada a una red de transmisión que ya es muy frágil y vulnerable».

Si bien SBSP sigue siendo conceptualmente atractivo, Lovins dijo que otras tendencias en energía renovable plantean grandes desafíos para su viabilidad. Las energías renovables basadas en tierra se están volviendo muy baratas rápidamente, y tanto la eólica como la solar ofrecen tarifas mayoristas de 3 centavos por kilovatio-hora o menos. Y la integración de estos recursos «terrestres» en las redes existentes de una manera que garantice un suministro de energía «estable» agregaría poco al costo, dijo. Esto lleva a Lovins a concluir que el beneficio tan promocionado de SBSP, su disponibilidad efectiva y continua independientemente del día y la noche en la Tierra, es menor. En este caso, dice, ir al espacio para superar el bajo costo por kilovatio-hora de las energías renovables terrestres sigue siendo muy difícil, si no imposible, dijo.

«En resumen, creo que las células fotovoltaicas proporcionarán electricidad más barata desde su azotea, tal vez incluso en Seattle, que desde el espacio», dijo Lovins. «No soy un experto espacial, pero no me parece obvio que esta barrera fundamental para SBSP vaya a cambiar. Landwind y [the] El costo de las celdas fotovoltaicas se reducirá otras dos o tres veces, lo que hará que la energía sea casi gratuita. «

Lovins preguntó: «¿Por qué tomarse tantas molestias y gastos para recolectar la luz del sol fuera de la atmósfera de la Tierra cuando ya está distribuida libremente, lloviendo sobre justos e injustos?»

Al igual que el propio SBSP, encontrar una respuesta definitiva a esta pregunta filosófica es todavía un trabajo en curso.