La Agencia Espacial Europea está investigando si los paneles solares en órbita podrían enviar energía renovable a la Tierra, como se muestra en la ilustración de este artista.Crédito: concepto europeo de torre SPS
Durante 100 años, la gente ha soñado con enviar grandes conjuntos de paneles solares al espacio y transmitir su energía a la Tierra. A diferencia de las fuentes de energía renovable intermitentes en tierra, estos paneles en órbita siempre disfrutarían de la luz solar brillante y ofrecerían potencialmente un suministro continuo de energía.
Ahora tales esquemas comienzan a parecer posibles, gracias al hardware más barato y la caída del costo de los lanzamientos espaciales. Equipos de todo el mundo están trabajando en partes clave de los sistemas de energía solar basados en el espacio, y un prototipo construido por investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) debería comenzar los experimentos en órbita este mes.
“No hay nada extravagante en esto que requiera una nueva física”, dice James Carpenter, quien codirige la iniciativa Solaris, un estudio de viabilidad realizado por la Agencia Espacial Europea (ESA) que podría conducir al desarrollo completo de la tecnología a partir de 2025. “ Económicamente, es comparable, por ejemplo, con la energía nuclear”, dice Carpenter, que trabaja en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial de la ESA en Noordwijk, Países Bajos.
La energía solar basada en el espacio sería viable solo si se implementara a gran escala. Los científicos anticipan la construcción de conjuntos de paneles solares de kilómetros de ancho que orbitarían la Tierra a una distancia de alrededor de 36,000 kilómetros. La energía que recolecten se convertiría en microondas y se transmitiría a receptores en la superficie con huellas físicas aún más grandes.
China ha anunciado planes para poner una unidad de demostración a escala de megavatios en órbita terrestre baja en 2028, antes de desplegar otro sistema en una órbita geosincrónica más distante en 2030. Carpenter dice que, con fondos suficientes, la primera estación de energía solar de varios gigavatios podría estar operativa. para 2040. Pero a pesar de la emoción, quedan enormes obstáculos técnicos.
Nature analiza cinco grandes preguntas que los investigadores deben responder para hacer realidad la energía solar basada en el espacio.
¿Cómo se puede construir una granja solar en el espacio?
Para generar un gigavatio de energía, comparable a la salida de una central eléctrica en la Tierra, las matrices en órbita deberían tener más de un kilómetro cuadrado de tamaño. Eso es más de 100 veces el tamaño de la Estación Espacial Internacional, que tardó una década en construirse. Se ensamblaría una matriz en el espacio a partir de módulos que podrían producirse en masa y lanzarse por separado. El experimento de Caltech consistirá en desplegar una estructura fuertemente plegada en una plataforma de paneles solares del tamaño de una mesa de comedor, pero los módulos en una matriz de tamaño completo podrían tener hasta 60 metros de largo.
Otros proyectos utilizan diseños diferentes. Entre las propuestas que está considerando la iniciativa Solaris de la ESA se encuentra una estructura helicoidal, y en Xi’an, China, el proyecto Chasing the Sun de la Universidad de Xidian está desarrollando un colector solar en forma de corona. Ambos requerirían ensamblaje remoto por robots en órbita, una tecnología aún incipiente.
La ingeniería detrás de tales sistemas es «increíblemente compleja», dice Karen Jones, economista espacial de Aerospace Corporation en Arlington, Virginia. Caltech espera sortear este problema volando sus paneles flexibles en formación, sin atarlos entre sí, y usando algoritmos para corregir cualquier fluctuación en la posición que afecte la transmisión de energía. Cualquiera que sea el diseño que se use, los componentes deberían lanzarse semanalmente, una tasa sin precedentes, dice Jovana Radulovic, ingeniera química de la Universidad de Portsmouth, Reino Unido.
¿Qué tipo de celdas solares se utilizarían?
Las células solares deben ser livianas y eficientes para mantener bajos los costos de lanzamiento. Cada kilogramo de panel debería producir de 1 a 2 kilovatios de energía, dice David Homfray, físico que dirige el trabajo técnico en la Iniciativa de Energía Espacial pública y privada del Reino Unido. Esa relación potencia-peso es unas 50 veces mayor que la de las células de silicio convencionales en la Tierra. La mayoría de los diseños tienen como objetivo aumentar la exposición de las células solares a la luz solar utilizando concentradores, espejos y otras estructuras innovadoras.
Las células también necesitarán soportar una radiación intensa en el espacio. Sin embargo, los sólidos materiales solares fotovoltaicos utilizados en muchas sondas espaciales son demasiado caros para implementarlos en una matriz enorme, por lo que los investigadores necesitan saber cómo funcionarán las alternativas más baratas, dice Radulovic.
Con ese fin, un experimento en el prototipo de Caltech probará 32 células fotovoltaicas livianas, incluidas las perovskitas de bajo costo. “La idea aquí es hacer una especie de prueba de longevidad”, dice Ali Hajimiri, quien codirige el proyecto Caltech.
Los investigadores de Caltech han construido un prototipo de sistema de energía solar basado en el espacio que se lanzó en enero y ahora se está preparando para las pruebas en órbita.Crédito: Caltech/Proyecto de energía solar espacial
¿Cómo llegará la energía solar a la Tierra?
Este es posiblemente el mayor desafío. Aunque los rayos láser transfieren energía de manera eficiente, las nubes pueden bloquearlos. Para evitar este problema, los investigadores esperan convertir la electricidad de los paneles solares en microondas, que atraviesan la atmósfera sin perder mucha energía. Sin embargo, las microondas se dispersan a medida que viajan, por lo que los ingenieros deberán sincronizar cuidadosamente cómo se emiten las ondas y usar estaciones receptoras de kilómetros de ancho para recolectarlas.
Convertir la energía solar en electricidad, luego en microondas y nuevamente en electricidad en el suelo, inevitablemente incurrirá en algunas pérdidas. “Nadie va a considerar seriamente esta idea hasta que esas pérdidas se reduzcan significativamente”, dice Radulovic. La ESA estima que solo entre el 10 y el 15 % de la energía solar que cae en una matriz espacial debe entregarse a la red eléctrica para que un sistema sea económicamente viable. Sin embargo, lograr eso aún requeriría avances considerables en varias tecnologías de conversión de energía, dice la agencia.
El año pasado, investigadores de la Universidad de Xidian utilizaron microondas para transmitir energía solar a más de 55 metros en un experimento a pequeña escala en la Tierra. Usando solo celdas de silicio convencionales, logró una eficiencia general de alrededor del 2,4%; la prueba marcó la primera vez que se demostró la secuencia completa en un solo sistema, dice Xun Li, investigador del proyecto. El prototipo de Caltech será el primer experimento basado en el espacio que utilizará microondas para transmitir y recibir energía, aunque en solo 30 centímetros, agrega Hajimiri.
¿Valdrá la pena todo el esfuerzo?
Las agencias espaciales y las naciones piensan que la energía solar basada en el espacio podría contribuir al objetivo de lograr emisiones netas de carbono cero para 2050. Pero «tenemos que demostrar que esto realmente será una ganancia neta para el planeta», dice Jones.
La energía solar basada en el espacio sin duda sería mucho más costosa que la energía solar terrestre. Sin embargo, podría competir con los costos de otras fuentes de energía continua baja en carbono, como la nuclear o el gas con tecnología de captura de carbono, dice Carpenter, aunque las formas más económicas de almacenar electricidad renovable en el suelo podrían disminuir el caso de un espacio. formación.
Mientras tanto, investigadores de la Universidad de Strathclyde, Reino Unido, han calculado que una estación de energía solar basada en el espacio tardaría menos de seis años en compensar los gases de efecto invernadero emitidos por el desarrollo, la construcción y la instalación del proyecto. “Parece muy, muy competitivo”, dice Homfray. Aún así, Radulovic cuestiona la confiabilidad de tales estimaciones, dadas las incertidumbres sobre cómo se diseñarán e implementarán estos sistemas.
¿Será seguro?
La transmisión de energía de microondas desde el espacio es sorprendentemente segura. La frecuencia del haz se elegirá de modo que no interrumpa la comunicación de la aeronave. Y debido a que su potencia se distribuiría en un área tan amplia, la densidad de energía promedio recibida por las estaciones terrestres sería de alrededor de 50 vatios por metro cuadrado, dice Carpenter, equivalente al nivel inofensivo de microondas que pueden escapar de un horno de microondas. “Está dentro de lo que se consideraría una recomendación de seguridad normal para la exposición humana”, dice.
Pero los investigadores deberán demostrar que no hay efectos adversos en los humanos, los animales o el medio ambiente en general. “Creo que deben tomar la iniciativa de la industria inalámbrica móvil que pasó por las mismas preocupaciones, y no trivializar estas preocupaciones, sino demostrarlo con estudios”, dice Jones.