ENERGÍA LIMPIA DESDE EL ESPACIO

Por IBI World UK el 9 julio 2023 / Ciencia y Tecnología, IBI World UK / Escribir un comentario

Piénsalo, ahora está a un paso de ser posible. Tire de la palanca del cuadro eléctrico de su casa y se conectará con un rayo de energía procedente del sol y rebotado en un satélite: sin costes, sin daños ecológicos, sin fin. Una red de satélites ya existente puede evitar los apagones. Cuando el planeta gira, y es de noche, nuestros hogares, transportes y sistemas de calefacción utilizan la electricidad almacenada durante el día. Sin cables subterráneos, sin residuos que eliminar…

Sin energía, la vida en el planeta es imposible. Las plantas y los animales disponen de complejos sistemas para transformar el sol y los alimentos en energía, sin la cual no pueden existir. Entretanto, la humanidad ha descubierto formas de utilizar la energía mucho más allá de lo que puede producir un solo cuerpo humano. Las formas de energía y los métodos para utilizarla han recorrido un largo camino: desde el uso de la fuerza muscular del propio hombre, y luego de los animales domesticados, hasta la obtención de energía de diversas fuentes y la gestión del flujo de energía. El consumo mundial de energía aumenta cada año, ya que los sistemas energéticos son el motor del desarrollo social y económico y la energía es esencial para todos los aspectos del bienestar humano.

Pero mientras la curva de la demanda energética sigue aumentando hasta niveles impensables hace apenas un cuarto de siglo, tras aceptar que los recursos de nuestro planeta son finitos y que los combustibles fósiles se agotarán pronto, la humanidad está desarrollando formas alternativas de generar energía utilizando recursos energéticos renovables como la energía eólica, hidráulica, solar, geotérmica y mareomotriz^[1] . La producción de energía está en el centro del problema climático mundial, ya que la mayoría de los gases de efecto invernadero se generan quemando combustibles fósiles. El carbón, el petróleo y el gas contribuyen en gran medida al cambio climático, ya que son responsables del 75% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero y de casi el 90% de todas las emisiones de dióxido de carbono^[2] . Pero estamos atrapados entre la espada y la pared: necesitamos cada vez más energía y debemos dejar de utilizar energías que envenenan el ecosistema, de lo contrario pronto acabaremos con la vida del planeta.

La energía del sol

Consumo mundial de energía^[3]

La energía solar se utiliza desde hace mucho tiempo y en todas partes, y los paneles solares son de uso común desde hace mucho tiempo. Pero esta tecnología no es perfecta. Además del elevado coste de los componentes, la complejidad de la instalación y la baja densidad de potencia, el mayor problema es la atmósfera terrestre, ya que las moléculas de nuestra atmósfera dispersan aproximadamente la mitad de la luz solar. Además, debido a las condiciones meteorológicas variables y a la consiguiente variabilidad de los rayos solares, este tipo de energía rara vez sirve como fuente permanente^[4] . Pero, ¿qué pasa con la obtención de esa energía más allá de la atmósfera? La energía solar basada en el espacio permite aprovechar las reservas prácticamente ilimitadas de energía del sol en el espacio, donde está disponible constantemente y es independiente de los ciclos diurnos y nocturnos, de las estaciones y de las condiciones meteorológicas, aumentando potencialmente la eficiencia en un factor de ocho en comparación con los paneles solares de la superficie terrestre .^[5]

El Instituto de Tecnología de California ha puesto en marcha el Proyecto de Energía Solar Espacial (SSPP), cuyo objetivo es recoger energía solar en el espacio y transmitirla a la superficie terrestre. En el marco de este proyecto, el experimento pionero MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) demostró hace unas semanas por primera vez que la transmisión inalámbrica de energía solar del espacio a la Tierra es posible con la tecnología de que ya disponemos. La energía solar espacial es una solución revolucionaria que permite aprovechar una energía solar ilimitada a través de satélites solares^[6] .

SSPD-1, el Demostrador de Energía Solar Espacial, fue el primer prototipo espacial de este proyecto. Se trata de un proyecto complejo e innovador que comprende tres experimentos: MAPLE, DOLCE y ALBA. MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) se centra en la transmisión inalámbrica de energía, mientras que DOLCE pretende demostrar la arquitectura y los mecanismos de despliegue de naves espaciales modulares: una estructura ultraligera de material compuesto que se despliega de forma similar a una vela de 2 metros de diámetro. Aunque la vela no contiene células solares, su propósito es probar el despliegue delgado, flexible y de gran tamaño que será necesario para construir una futura central eléctrica^[7] . Y ALBA -diseñada para evaluar la eficacia de diversas células fotovoltaicas en condiciones espaciales adversas- está probando 32 muestras de células solares^[8] . Otro cuarto componente del SSPD es la unidad electrónica, que se comunica con el ordenador de la nave espacial y supervisa y controla los tres experimentos.^[9]

En enero de este año se lanzó al espacio un demostrador espacial de energía solar de 50 kilogramos desde la nave Momentus Vigoride, instalada a bordo de un cohete de SpaceX como parte de la misión Transporter-6. Una vez en órbita, desplegó paneles fotovoltaicos experimentales diseñados para cosechar energía solar en el vacío^[10] . MAPLE está equipado con un transmisor de microondas, que a su vez es un sistema de 32 antenas agrupadas en clusters de 16. Cada cluster está controlado por un único chip de circuito integrado flexible, personalizado y fabricado con tecnología de silicio de bajo coste. A una distancia aproximada de 30 cm del transmisor se encuentran dos receptores, denominados arrays, que son sistemas independientes de receptores de señales.

El principio Maple de transmisión inalámbrica de energía^[11]

La energía solar captada por las células fotovoltaicas es convertida en ondas eléctricas por el transmisor y transmitida a los receptores de señal, que a su vez transforman las microondas en corriente eléctrica continua y la lanzan con precisión milimétrica a lugares de almacenamiento en la Tierra^[12] . Este principio de transmisión inalámbrica de energía a través del espacio se basa en un fenómeno cuántico llamado «interferencia».

Esta interferencia se observa cuando dos o más ondas se superponen. Según la relación de fase entre las ondas, éstas pueden amplificarse (interferencia constructiva) o debilitarse (interferencia destructiva). Cuando dos ondas se encuentran en fase, sus amplitudes se suman y se produce una interferencia constructiva. En este caso, se observa una amplificación de las ondas y las zonas donde se suman las amplitudes se denominan máximos de interferencia^[13] .

En pocas palabras, este efecto se puede observar si se crean ondas con las manos sumergidas en el agua: hay zonas en las que la onda es más fuerte y zonas en las que la onda diverge. Sin embargo, si imaginamos que hay dos o más fuentes y que crean ondas de forma coordinada, es decir, simultáneamente y en la misma dirección, con la misma fase, entonces las ondas se concentrarán en una dirección y se compensarán en todas las demás, y su pico en su encuentro creará un pico de mayor altura. Este fenómeno permite realizar el principio de la «lupa», en el que el flujo de energía procedente de varias fuentes puede concentrarse y coordinarse en la dirección deseada^[14] . Del sol directamente a nuestras cocinas.

Utilizando este principio, científicos del Instituto Tecnológico de California demostraron la eficacia de transmitir energía desde un transmisor de microondas a cada uno de dos receptores cambiando el enfoque y la dirección de la energía emitida. El conjunto de transmisores utiliza controles de temporización precisos para enfocar la energía de forma dinámica y selectiva en el punto adecuado, añadiendo ondas electromagnéticas. Esto permite que la mayor parte de la energía enfocada se transmita en la dirección elegida sobre la tierra, sin perturbaciones de la atmósfera.

Al controlar con precisión el tiempo de este proceso, la dirección de la energía puede ajustarse muy rápidamente (nanosegundos) y la energía puede redirigirse a receptores espaciales o incluso receptores en la Tierra. Todo ello permite dirigir la energía al lugar adecuado y a ningún otro, sin necesidad de piezas mecánicas móviles^[15] . Dos matrices de receptores convirtieron la energía solar en corriente continua, que se utilizó para alimentar un par de luces LED, demostrando la secuencia completa de transferencia inalámbrica de energía. MAPLE lo demostró encendiendo cada uno de los LED y cambiando de uno a otro^[16] .

A la derecha hay un transmisor y a la izquierda dos receptores, con una ventana redonda entre ellos para transmitir energía fuera del prototipo^[17]

Esto demuestra no sólo la posibilidad de transmitir energía solar desde la órbita a la Tierra, sino también de transmitirla entre naves espaciales^[18] . Además, el experimento no sellado tuvo lugar en condiciones espaciales difíciles, incluidas fluctuaciones de temperatura, radiación solar e irradiación, lo que demuestra la robustez del sistema y su capacidad para funcionar en tales condiciones.

MAPLE también tiene una pequeña ventana a través de la cual el prototipo puede transmitir energía. La transmisión de energía fue detectada por un receptor situado en el tejado del Laboratorio de Ingeniería Gordon y Betty Moore, en el campus del Instituto Tecnológico de California, en Pasadena, el 22 de mayo de 2023. La señal recibida apareció en el momento y la frecuencia esperados, como se predijo basándose en su viaje desde la órbita^[19] . Lamentablemente, no se han publicado datos sobre la potencia transmitida desde el espacio a la Tierra^[20] .

Todo el conjunto flexible MAPLE, así como sus principales chips electrónicos de transmisión inalámbrica de energía y elementos de transmisión, se diseñaron específicamente para este proyecto^[21] . Según los científicos, las matrices de transmisión de energía debían ser lo más ligeras posible para minimizar la cantidad de combustible necesaria para enviarlas al espacio, flexibles para que pudieran plegarse en un paquete que pudiera transportarse en un cohete y luego desplegarse con éxito y, en general, debían ser una tecnología de bajo coste^[22] . Toda la serie de tres prototipos del SSPD fue concebida, diseñada, construida y probada por un equipo de unas 35 personas^[23] .

Perspectivas de una tecnología revolucionaria

El proyecto Solaris de la Agencia Espacial Europea consiste en bombear gigavatios de forma inalámbrica desde el espacio^[24]

«Igual que Internet ha puesto la información al alcance de todos, esperamos que la transmisión inalámbrica de energía simplifique el acceso a la energía», afirma Ali Hajimiri, responsable del Proyecto de Energía Solar Espacial (SSPP). No hace falta ninguna infraestructura para transportar esta energía a la Tierra. Esto significa que podemos enviar energía a regiones remotas y zonas devastadas por guerras o catástrofes naturales»,^[25] .

A pesar de la debilidad de la señal transmitida, que sólo fue de 200 milivatios (menos que la luz de la cámara de un teléfono)^[26] , fue suficiente para demostrar lo que podría dar de sí el sistema si se produjera a escala industrial^[27] . Actualmente, el equipo de desarrollo está evaluando y analizando los componentes individuales de MAPLE, un proceso que podría durar hasta seis meses y proporcionar una buena base para evitar los escollos de la implantación de un sistema de energía espacial a gran escala en el futuro. Está previsto que el SSPP consista en una constelación de naves espaciales modulares que utilicen paneles solares similares a velas^[28] , capaces de recoger la luz solar en el espacio y, convirtiéndola en electricidad, emitirla en forma de microondas a grandes distancias^[29] .

En teoría, la energía espacial existe desde los años 70 y muchos países están inmersos en una «carrera» por la energía solar limpia. Un grupo de científicos de la Universidad de Kioto, en colaboración con la agencia espacial japonesa JAXA, planea realizar un experimento para transmitir eficazmente energía del espacio a la Tierra hacia 2025. El plan no consiste en que los científicos demuestren que la transferencia es científicamente posible, sino en ponerla en práctica. Para ello, lanzarán pequeños satélites que enviarán energía solar a estaciones receptoras terrestres^[30] . El éxito de este proyecto es importante para China en el contexto del prestigio internacional en el campo de la energía espacial y la consiguiente posibilidad de cooperación con otros Estados^[31] . La start-up Virtus Solis Technologies^[32] también trabaja en la transmisión de energía y prevé poner en órbita una planta piloto en 2026, con la intención de ofrecer energía comercial a los clientes a finales de la década^[33] .

Un enorme incentivo para el desarrollo de la energía espacial en la Unión Europea es el objetivo 2050 Net Zero, una estrategia nacional a largo plazo para crear una economía con cero emisiones de gases de efecto invernadero con el objetivo de mantener el aumento de la temperatura global muy por debajo de 2º^[34] . La Agencia Espacial Europea trabaja en la búsqueda de financiación^[35] para demostrar que un sistema de satélites alimentado por energía solar es comercialmente viable^[36] . El registro de una patente suficientemente sofisticada y funcional bastaría para desatar el entusiasmo de las autoridades de Bruselas, tan presionadas por la guerra de Ucrania.

No es tan sencillo

Los peligrosos efectos del sol sobre la Tierra[37]

Según el Grupo de Expertos de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, actualmente el mundo va camino de calentarse 2,5 grados centígrados a finales de siglo, es decir, 1 grado centígrado por encima del umbral que la comunidad científica considera seguro para evitar consecuencias catastróficas^[38] . Para contener el calentamiento, la economía mundial tendrá que reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en un 45% de aquí a 2030, lo que significa que muchas tecnologías consumidoras de combustibles fósiles tendrán que desaparecer en un plazo muy breve. En este contexto, la búsqueda de fuentes de energía alternativas fiables se hace imperativa y los científicos predicen que la energía solar dominará el panorama energético del futuro.

No hay dificultades científicas que resolver en el proceso de «extracción» de energía espacial; se han elaborado los fundamentos teóricos y se ha demostrado la física que subyace a los procesos. El experimento MAPLE ha demostrado que la transferencia de energía a distancia es posible tanto en el espacio como desde la órbita a la Tierra. La cuestión se refiere más bien a la escala de la transferencia de energía, que está directamente relacionada con el nivel de preparación tecnológica de cada industria receptora^[39] .

Además, la energía espacial requiere una enorme inversión financiera: el proyecto del Instituto Tecnológico de California costó más de 112 millones de dólares^[40] . Con unos costes energéticos mundiales que ascienden a billones de euros, se calcula que el primer satélite de un gigavatio alimentado por energía solar costará unos 20.000 millones de euros, comparable a la construcción de una nueva central nuclear. Pero gracias a la producción en serie y a las economías de escala, los satélites posteriores podrían reducir considerablemente los costes de construcción y explotación. Por consiguiente, el coste de generar un nivel básico de electricidad a partir de satélites sería más de la mitad del de las centrales nucleares y aproximadamente el mismo que el de las grandes centrales solares terrestres^[41] . Pero en el contexto de la energía espacial, se trata de una inversión de futuro sin alternativa satisfactoria.

Dada la enorme capacidad energética de la energía solar, comparable a la de las centrales nucleares, aparte de la cuestión de la captación y transmisión de energía, el problema del almacenamiento energético sigue sin resolverse. En este contexto, la pregunta es: ¿qué esperamos de la energía cósmica en el futuro: una alternativa de reserva o la principal fuente de energía de nuestro planeta?

De momento, una misión para extraer energía del espacio tiene el noble propósito de suministrar energía a zonas remotas e inaccesibles donde la conexión a las redes energéticas tradicionales puede ser difícil o imposible. Esto puede ser especialmente útil para los países en desarrollo y las zonas remotas, así como para las zonas propensas a la destrucción. El espacio es para todos, el sol es para todos, pero en el futuro del desarrollo de la energía espacial puede agudizarse la cuestión de la regulación legal y la distribución de este recurso, así como la cuestión de la seguridad.

Aunque la transición a las energías renovables es crucial para el futuro del mundo y el concepto de energía solar basada en el espacio es muy emocionante y prometedor, es importante mantener un sano escepticismo al respecto. Como ocurre con todos los avances científicos, el verdadero potencial de esta tecnología sólo se revelará con un mayor desarrollo y pruebas^[42] . En cualquier caso, la tecnología demostrada por el equipo del Instituto Tecnológico de California representa un hito importante y allana el camino para sistemas espaciales más avanzados. Y entonces, ¡ya veremos!

^[1] https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc

^[2] https://www.un.org/en/climatechange/raising-ambition/renewable-energy

^[3] https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..latest

^[4] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs

^[5] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

^[6] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[7] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration

^[8] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/

^[9] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/

^[10] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064

^[11] https://www.pasadenastarnews.com/2023/06/07/caltech-researchers-show-power-can-be-wirelessly-transmitted-in-space-the-implications-are-huge/

^[12] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration