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Energía solar basada en el espacio

Concepto del concentrador simétrico integrado SPS de la NASA
Un diagrama paso a paso sobre la energía solar basada en el espacio.

La energía solar basada en el espacio ( SBSP o SSP ) es el concepto de recolectar energía solar en el espacio exterior con satélites de energía solar (SPS) y distribuirla a la Tierra . Sus ventajas incluyen una mayor recolección de energía debido a la falta de reflexión y absorción por la atmósfera , la posibilidad de muy poca noche y una mejor capacidad para orientarse de cara al Sol. Los sistemas de energía solar basados ​​en el espacio convierten la luz solar en alguna otra forma de energía (como las microondas ) que se puede transmitir a través de la atmósfera a receptores en la superficie de la Tierra.

Los paneles solares en naves espaciales se han utilizado desde 1958, cuando Vanguard I los utilizó para alimentar uno de sus transmisores de radio; sin embargo, el término (y las siglas) anteriores se utilizan generalmente en el contexto de la transmisión de energía a gran escala para su uso en la Tierra.

Desde principios de los años 1970 se han investigado varias propuestas de SBSP, [1] [2] pero, a fecha de 2014, ninguna es económicamente viable teniendo en cuenta los costes de lanzamiento espacial. Algunos tecnólogos proponen reducir los costes de lanzamiento con la fabricación espacial o con tecnologías radicalmente nuevas de lanzamiento espacial distintas de la cohetería .

Además del costo, el SBSP también presenta varios obstáculos tecnológicos, incluido el problema de transmitir energía desde la órbita. Dado que los cables que se extienden desde la superficie de la Tierra hasta un satélite en órbita no son factibles con la tecnología actual, los diseños SBSP generalmente incluyen la transmisión de energía inalámbrica con sus ineficiencias de conversión asociadas, así como preocupaciones sobre el uso del suelo para que las estaciones de antena reciban la energía en la superficie de la Tierra. El satélite colector convertiría la energía solar en energía eléctrica, alimentaría un transmisor de microondas o un emisor láser y transmitiría esta energía a un colector (o rectenna de microondas ) en la superficie de la Tierra. Contrariamente a las apariencias en la ficción, la mayoría de los diseños proponen densidades de energía del haz que no son dañinas si los seres humanos se expusieran inadvertidamente, como si el haz de un satélite transmisor se desviara de su curso. Pero el tamaño necesariamente enorme de las antenas receptoras aún requeriría grandes bloques de tierra cerca de los usuarios finales. La vida útil de los colectores espaciales frente a la exposición a largo plazo al entorno espacial, incluida la degradación por radiación y los daños causados ​​por micrometeoroides , también podría convertirse en una preocupación para el SBSP.

A partir de 2020, el SBSP está siendo impulsado activamente por Japón, China, [3] Rusia, India, el Reino Unido [4] y los EE. UU.

En 2008, Japón aprobó su Ley Espacial Básica, que estableció la energía solar espacial como un objetivo nacional. [5] JAXA tiene una hoja de ruta hacia la SBSP comercial.

En 2015, la Academia China de Tecnología Espacial (CAST) presentó su hoja de ruta en la Conferencia Internacional de Desarrollo Espacial. En febrero de 2019, Science and Technology Daily (科技日报, Keji Ribao), el periódico oficial del Ministerio de Ciencia y Tecnología de la República Popular China , informó que se había iniciado la construcción de una base de pruebas en el distrito Bishan de Chongqing. El vicepresidente de CAST, Li Ming, fue citado diciendo que China espera ser la primera nación en construir una estación de energía solar espacial funcional con valor práctico. Se informó que los científicos chinos planean lanzar varias estaciones de energía espacial de tamaño pequeño y mediano entre 2021 y 2025. [6] [7] En diciembre de 2019, la Agencia de Noticias Xinhua informó que China planea lanzar una estación SBSP de 200 toneladas capaz de generar megavatios (MW) de electricidad a la Tierra para 2035. [8]

En mayo de 2020, el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos realizó su primera prueba de generación de energía solar en un satélite. [9] En agosto de 2021, el Instituto Tecnológico de California (Caltech) anunció que planeaba lanzar un conjunto de pruebas SBSP para 2023, y al mismo tiempo reveló que Donald Bren y su esposa Brigitte, ambos fideicomisarios de Caltech, habían estado financiando desde 2013 el Proyecto de Energía Solar Espacial del instituto, donando más de $ 100 millones. [10] [11] Un equipo de Caltech demostró con éxito la transmisión de energía a la Tierra en 2023. [11]

Historia

Un rayo piloto láser guía la transmisión de potencia de microondas a una rectena.

En 1941, el escritor de ciencia ficción Isaac Asimov publicó el cuento de ciencia ficción Reason , en el que una estación espacial transmite energía recogida del Sol a varios planetas utilizando rayos de microondas. El concepto SBSP, conocido originalmente como sistema de energía solar por satélite (SSPS), se describió por primera vez en noviembre de 1968. [12] En 1973, Peter Glaser recibió la patente estadounidense número 3.781.647 por su método de transmisión de energía a largas distancias (por ejemplo, desde un SPS a la superficie de la Tierra) utilizando microondas desde una antena muy grande (de hasta un kilómetro cuadrado) en el satélite a una mucho más grande, ahora conocida como rectenna , en el suelo. [13]

Glaser era entonces vicepresidente de Arthur D. Little , Inc. La NASA firmó un contrato con ADL para dirigir a otras cuatro empresas en un estudio más amplio en 1974. Descubrieron que, si bien el concepto tenía varios problemas importantes (principalmente el costo de poner los materiales necesarios en órbita y la falta de experiencia en proyectos de esta escala en el espacio), mostraba suficiente promesa como para merecer más investigación. [14]

Desarrollo y evaluación de conceptos

Concepto artístico de un satélite de energía solar en su lugar. Se muestra el conjunto de una antena de transmisión de microondas. El satélite de energía solar se situaría en una órbita geoestacionaria, a 35.786 kilómetros (22.236 millas) sobre la superficie de la Tierra. NASA 1976

Entre 1978 y 1986, el Congreso autorizó al Departamento de Energía (DoE) y a la NASA a investigar conjuntamente el concepto. Organizaron el Programa de Desarrollo y Evaluación del Concepto de Sistemas de Energía Satelital. [15] [16] El estudio sigue siendo el más amplio realizado hasta la fecha (presupuesto de 50 millones de dólares). [17] Se publicaron varios informes que investigaban la viabilidad de ingeniería de un proyecto de este tipo. Entre ellos se incluyen:

Discontinuación

El proyecto no continuó con el cambio de administración tras las elecciones de 1980 en Estados Unidos . La Oficina de Evaluación Tecnológica concluyó que "actualmente se sabe muy poco sobre los aspectos técnicos, económicos y ambientales del SPS como para tomar una decisión acertada sobre si se debe proceder con su desarrollo y despliegue. Además, sin más investigación, un programa de demostración o verificación de ingeniería de sistemas del SPS sería una empresa de alto riesgo". [35]

En 1997, la NASA llevó a cabo su estudio "Fresh Look" para examinar el estado actual de la viabilidad del SBSP. Al evaluar "Qué ha cambiado" desde el estudio del DOE, la NASA afirmó que "la Política Espacial Nacional de los Estados Unidos ahora exige que la NASA haga inversiones significativas en tecnología (no en un vehículo en particular) para reducir drásticamente los costos del transporte ETO [Tierra a Órbita] . Esto es, por supuesto, un requisito absoluto de la energía solar espacial". [36]

Por el contrario, Pete Worden , de la NASA, afirmó que la energía solar espacial es cinco órdenes de magnitud más cara que la energía solar del desierto de Arizona, y que uno de los principales costes es el transporte de materiales a la órbita. Worden se refirió a las posibles soluciones como especulativas y que no estarán disponibles hasta dentro de unas décadas, como mínimo. [37]

El 2 de noviembre de 2012, China propuso una colaboración espacial con India que mencionaba SBSP, "puede ser una iniciativa de energía solar basada en el espacio para que tanto India como China puedan trabajar para una asociación a largo plazo con la financiación adecuada junto con otras naciones dispuestas a viajar al espacio para traer energía solar espacial a la Tierra". [38]

Programa de Investigación y Tecnología Exploratoria

Concepto de concentrador simétrico integrado SERT (SPS). NASA

En 1999, la NASA inició su programa de Investigación y Tecnología Exploratoria de Energía Solar Espacial (SERT) con los siguientes propósitos:

El SERT se dedicó a desarrollar un concepto de satélite de energía solar (SPS) para un futuro sistema de energía espacial de gigavatios , que proporcionaría energía eléctrica mediante la conversión de la energía del Sol y su emisión a la superficie de la Tierra, y proporcionó un camino de desarrollo conceptual que utilizaría las tecnologías actuales. El SERT propuso una estructura de gasa fotovoltaica inflable con lentes concentradoras o motores de calor solar para convertir la luz solar en electricidad. El programa analizó tanto sistemas en órbita heliosincrónica como en órbita geosincrónica . Algunas de las conclusiones del SERT:

Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón

La revista IEEE Spectrum de mayo de 2014 publicó un extenso artículo titulado "Siempre hace sol en el espacio", de Susumu Sasaki. [40] El artículo afirmaba: "Ha sido objeto de muchos estudios previos y de material de ciencia ficción durante décadas, pero la energía solar basada en el espacio podría por fin convertirse en una realidad, y en un plazo de 25 años, según una propuesta de investigadores de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) con sede en Tokio ".

El 12 de marzo de 2015, la JAXA anunció que había transmitido de forma inalámbrica 1,8 kilovatios a 50 metros de distancia a un pequeño receptor convirtiendo la electricidad en microondas y luego de nuevo en electricidad. Este es el plan estándar para este tipo de energía. [41] [42] El 12 de marzo de 2015, Mitsubishi Heavy Industries demostró la transmisión de 10 kilovatios (kW) de energía a una unidad receptora ubicada a una distancia de 500 metros (m). [43]

Ventajas y desventajas

Ventajas

El concepto SBSP es atractivo porque el espacio tiene varias ventajas importantes sobre la superficie de la Tierra para la recolección de energía solar:

Desventajas

El concepto SBSP también presenta una serie de problemas:

Diseño

Concepto artístico de un disco solar encima de un remolcador espacial propulsado eléctricamente de LEO a GEO .

La energía solar basada en el espacio consta esencialmente de tres elementos: [2]

  1. Recolección de energía solar en el espacio con reflectores o espejos inflables sobre células solares o calentadores para sistemas térmicos.
  2. Transmisión de energía inalámbrica a la Tierra mediante microondas o láser.
  3. Recibir energía en la Tierra a través de una rectenna , una antena de microondas.

La parte espacial no necesitará sostenerse contra la gravedad (salvo tensiones de marea relativamente débiles). No necesita protección contra el viento o el clima terrestres, pero tendrá que hacer frente a peligros espaciales como micrometeoros y erupciones solares . Se han estudiado dos métodos básicos de conversión: fotovoltaico (PV) y solar dinámico (SD). La mayoría de los análisis de SBSP se han centrado en la conversión fotovoltaica utilizando células solares que convierten directamente la luz solar en electricidad. La dinámica solar utiliza espejos para concentrar la luz en una caldera. El uso de la dinámica solar podría reducir la masa por vatio. La transmisión de energía inalámbrica se propuso desde el principio como un medio para transferir energía desde la recolección a la superficie de la Tierra, utilizando radiación de microondas o láser en una variedad de frecuencias.

Transmisión de potencia por microondas

En 1964, durante el programa de noticias de la CBS de Walter Cronkite , William C. Brown demostró un modelo de helicóptero propulsado por microondas que recibía toda la energía que necesitaba para volar de un haz de microondas. Entre 1969 y 1975, Bill Brown fue director técnico de un programa del JPL Raytheon que emitía 30 kW de potencia a una distancia de 1 milla (1,6 km) con una eficiencia del 9,6 %. [63] [64]

La transmisión de energía por microondas de decenas de kilovatios ha sido bien demostrada mediante pruebas realizadas en Goldstone en California (1975) [64] [65] [66] y en Grand Bassin en la Isla Reunión (1997). [67]

Comparación de la transmisión de potencia por láser y microondas. Diagrama de la NASA

Más recientemente, un equipo dirigido por John C. Mankins ha demostrado la transmisión de energía por microondas, en conjunción con la captura de energía solar, entre la cima de una montaña en Maui y la isla de Hawái (a 92 millas de distancia). [ 68] [69] Los desafíos tecnológicos en términos de diseño de la matriz, diseño de un solo elemento de radiación y eficiencia general, así como los límites teóricos asociados, son actualmente un tema de investigación, como lo demostró la Sesión Especial sobre "Análisis de sistemas inalámbricos electromagnéticos para transmisión de energía solar" celebrada durante el Simposio IEEE de 2010 sobre antenas y propagación. [70] En 2013, se publicó una descripción general útil que cubre las tecnologías y los problemas asociados con la transmisión de energía por microondas desde el espacio hasta la tierra. Incluye una introducción a SPS, la investigación actual y las perspectivas futuras. [71] Además, apareció una revisión de las metodologías y tecnologías actuales para el diseño de matrices de antenas para transmisión de energía por microondas en las Actas del IEEE. [72]

Rayo de potencia láser

Algunos miembros de la NASA concibieron la transmisión de energía mediante láser como un paso hacia una mayor industrialización del espacio. En la década de 1980, los investigadores de la NASA trabajaron en el uso potencial de láseres para la transmisión de energía de espacio a espacio, centrándose principalmente en el desarrollo de un láser alimentado por energía solar. En 1989, se sugirió que también se podría transmitir energía de forma útil mediante láser desde la Tierra al espacio. En 1991, se había iniciado el proyecto SELENE (SpacE Laser ENErgy), que incluía el estudio de la transmisión de energía mediante láser para suministrar energía a una base lunar. El programa SELENE fue un esfuerzo de investigación de dos años, pero el costo de llevar el concepto a un estado operativo fue demasiado alto, y el proyecto oficial finalizó en 1993 antes de llegar a una demostración basada en el espacio. [73]

Satélites solares láser

Los satélites solares láser son más pequeños, lo que significa que tienen que trabajar en grupo con otros satélites similares. Los satélites solares láser tienen muchas ventajas, en particular en lo que respecta a sus menores costos generales en comparación con otros satélites. Si bien el costo es menor que el de otros satélites, existen varias preocupaciones de seguridad y otras inquietudes con respecto a este satélite. [74] Los satélites solares que emiten láser solo necesitan aventurarse unos 400 km en el espacio, pero debido a su pequeña capacidad de generación, se necesitarían lanzar cientos o miles de satélites láser para crear un impacto sostenible. El lanzamiento de un solo satélite puede costar entre cincuenta y cuatrocientos millones de dólares. Los láseres podrían ser útiles para que la energía del sol recolectada en el espacio se devuelva a la Tierra para satisfacer las demandas de energía terrestre. [75]

Ubicación orbital

La principal ventaja de ubicar una central eléctrica espacial en órbita geoestacionaria es que la geometría de la antena se mantiene constante, por lo que mantener las antenas alineadas es más sencillo. Otra ventaja es que la transmisión de energía casi continua está disponible inmediatamente tan pronto como se coloca la primera central eléctrica espacial en órbita; la órbita terrestre baja requiere varios satélites antes de que produzcan energía casi continua.

La transmisión de energía desde una órbita geoestacionaria mediante microondas presenta la dificultad de que los tamaños de "apertura óptica" requeridos son muy grandes. Por ejemplo, el estudio SPS de la NASA de 1978 requirió una antena transmisora ​​de 1 km de diámetro y una rectenna receptora de 10 km de diámetro para un haz de microondas a 2,45 GHz . Estos tamaños se pueden reducir un poco utilizando longitudes de onda más cortas, aunque tienen una mayor absorción atmosférica e incluso un posible bloqueo del haz por la lluvia o las gotas de agua. Debido a la maldición del conjunto adelgazado , no es posible hacer un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños. El gran tamaño de las antenas transmisoras y receptoras significa que el nivel de potencia práctica mínima para un SPS será necesariamente alto; los sistemas SPS pequeños serán posibles, pero poco económicos. [ investigación original? ]

Se ha propuesto una colección de centrales eléctricas espaciales LEO ( órbita terrestre baja ) como precursora de la energía solar basada en el espacio GEO ( órbita geoestacionaria ). [76]

Receptor basado en la Tierra

La rectena terrestre probablemente estaría formada por muchas antenas dipolares cortas conectadas mediante diodos . Las emisiones de microondas del satélite se recibirían en los dipolos con una eficiencia de alrededor del 85 %. [77] Con una antena de microondas convencional, la eficiencia de recepción es mejor, pero su costo y complejidad también son considerablemente mayores. Las rectenas probablemente tendrían varios kilómetros de diámetro.

En aplicaciones espaciales

Un SBSP láser también podría alimentar una base o vehículos en la superficie de la Luna o Marte, ahorrando los costos de masa para aterrizar la fuente de energía. Una nave espacial u otro satélite también podrían ser alimentados por los mismos medios. En un informe de 2012 presentado a la NASA sobre energía solar espacial, el autor menciona otro uso potencial para la tecnología detrás de la energía solar espacial que podría ser para sistemas de propulsión eléctrica solar que podrían usarse para misiones de exploración humana interplanetaria. [78] [79] [80]

Costos de lanzamiento

Un problema con el concepto SBSP es el costo de los lanzamientos espaciales y la cantidad de material que sería necesario lanzar.

Gran parte del material lanzado no necesita ser entregado a su órbita final inmediatamente, lo que plantea la posibilidad de que motores de alta eficiencia (pero más lentos) puedan trasladar material SPS de LEO a GEO a un costo aceptable. Algunos ejemplos incluyen propulsores iónicos o propulsión nuclear . Para comenzar el proceso, será necesario construir infraestructura que incluya paneles solares, convertidores de energía y transmisores de energía. Esto será extremadamente costoso y su mantenimiento costará aún más.

Para dar una idea de la escala del problema, suponiendo una masa de panel solar de 20 kg por kilovatio (sin considerar la masa de la estructura de soporte, la antena o cualquier reducción significativa de masa de cualquier espejo de enfoque) una central eléctrica de 4 GW pesaría alrededor de 80.000 toneladas métricas , [81] todo lo cual, en las circunstancias actuales, se lanzaría desde la Tierra. Sin embargo, esto está lejos del estado del arte para naves espaciales voladoras, que a partir de 2015 era de 150 W/kg (6,7 kg/kW), y está mejorando rápidamente. [82] Los diseños muy ligeros probablemente podrían alcanzar 1 kg/kW, [83] lo que significa 4.000 toneladas métricas para los paneles solares para la misma capacidad de 4 GW de la central. Más allá de la masa de los paneles, se debe agregar la sobrecarga (incluyendo el impulso a la órbita deseada y el mantenimiento de la posición).

A estos costos hay que añadir el impacto ambiental de las misiones de lanzamiento espacial pesado, si se comparan dichos costos con la producción de energía terrestre. A modo de comparación, el costo directo de una nueva planta de energía a carbón [84] o nuclear oscila entre 3.000 y 6.000 millones de dólares por GW (sin incluir el costo total para el medio ambiente de las emisiones de CO2 o el almacenamiento de combustible nuclear gastado, respectivamente).

Construyendo desde el espacio

A partir de materiales lunares lanzados a la órbita

Gerard O'Neill , al observar el problema de los altos costos de lanzamiento a principios de los años 1970, propuso construir los SPS en órbita con materiales de la Luna . [85] Los costos de lanzamiento desde la Luna son potencialmente mucho más bajos que desde la Tierra debido a la menor gravedad y la falta de resistencia atmosférica . Esta propuesta de los años 1970 asumió el costo de lanzamiento futuro entonces anunciado del transbordador espacial de la NASA. Este enfoque requeriría una inversión de capital inicial sustancial para establecer impulsores de masa en la Luna. [86] Sin embargo, el 30 de abril de 1979, el Informe Final ("Lunar Resources Utilization for Space Construction") de la División Convair de General Dynamics, bajo el contrato NAS9-15560 de la NASA, concluyó que el uso de recursos lunares sería más barato que los materiales basados ​​en la Tierra para un sistema de tan solo treinta satélites de energía solar de 10 GW de capacidad cada uno. [87]

En 1980, cuando se hizo evidente que las estimaciones de la NASA sobre el costo del lanzamiento del transbordador espacial eran excesivamente optimistas, O'Neill et al. publicaron otra ruta de fabricación utilizando materiales lunares con costos iniciales mucho más bajos. [88] Este concepto de SPS de la década de 1980 dependía menos de la presencia humana en el espacio y más de sistemas parcialmente autorreplicantes en la superficie lunar bajo control remoto de trabajadores estacionados en la Tierra. La alta ganancia de energía neta de esta propuesta se deriva del pozo gravitacional mucho más superficial de la Luna .

El hecho de disponer de una fuente de materias primas procedentes del espacio relativamente barata por libra reduciría la preocupación por los diseños de baja masa y daría lugar a la construcción de un tipo diferente de SPS. El bajo coste por libra de los materiales lunares en la visión de O'Neill se vería respaldado por el uso de material lunar para fabricar más instalaciones en órbita que simplemente satélites de energía solar. Las técnicas avanzadas para el lanzamiento desde la Luna pueden reducir el coste de construcción de un satélite de energía solar a partir de materiales lunares. Algunas técnicas propuestas incluyen el impulsor de masa lunar y el ascensor espacial lunar , descrito por primera vez por Jerome Pearson. [89] Requeriría establecer instalaciones de minería de silicio y fabricación de células solares en la Luna . [ cita requerida ]

En la luna

El físico Dr. David Criswell sugiere que la Luna es la ubicación óptima para las centrales de energía solar y promueve la energía solar basada en la Luna. [90] [91] [92] La principal ventaja que imagina es la construcción en gran parte a partir de materiales lunares disponibles localmente, utilizando la utilización de recursos in situ , con una fábrica móvil teleoperada y una grúa para ensamblar los reflectores de microondas y rovers para ensamblar y pavimentar las células solares, [93] lo que reduciría significativamente los costos de lanzamiento en comparación con los diseños de SBSP. Los satélites de retransmisión de potencia que orbitan alrededor de la Tierra y la Luna reflejando el haz de microondas también son parte del proyecto. Un proyecto de demostración de 1 GW comienza con $ 50 mil millones. [94] La Corporación Shimizu utiliza una combinación de láseres y microondas para el concepto de anillo lunar , junto con satélites de retransmisión de potencia. [95] [96]

De un asteroide

También se ha considerado seriamente la posibilidad de extraer material de asteroides . Un estudio de diseño de la NASA [97] evaluó un vehículo minero de 10.000 toneladas (que se ensamblaría en órbita) que devolvería un fragmento de asteroide de 500.000 toneladas a la órbita geoestacionaria. Sólo unas 3.000 toneladas de la nave minera serían una carga útil de grado aeroespacial tradicional. El resto sería masa de reacción para el motor impulsor de masa, que podría organizarse para que fuera las etapas de cohete gastadas utilizadas para lanzar la carga útil. Suponiendo que el 100% del asteroide devuelto fuera útil y que el minero de asteroides en sí no pudiera reutilizarse, eso representa una reducción de casi el 95% en los costos de lanzamiento. Sin embargo, los verdaderos méritos de un método de este tipo dependerían de un estudio minucioso de los minerales de los asteroides candidatos; hasta ahora, sólo tenemos estimaciones de su composición. [98] Una propuesta es capturar el asteroide Apophis en la órbita de la Tierra y convertirlo en 150 satélites de energía solar de 5 GW cada uno o en el asteroide más grande 1999 AN10, que es 50 veces el tamaño de Apophis y lo suficientemente grande como para construir 7.500 satélites de energía solar de 5 gigavatios [99].

Seguridad

La exposición potencial de humanos y animales en el suelo a los rayos de microondas de alta potencia es una preocupación importante con estos sistemas. En la superficie de la Tierra, un rayo de microondas SPSP sugerido tendría una intensidad máxima en su centro, de 23 mW/cm 2 . [100] Si bien esto es menos de 1/4 de la constante de irradiación solar , las microondas penetran mucho más profundamente en el tejido que la luz solar, y en este nivel excederían los límites actuales de exposición en el lugar de trabajo de la Ley de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) de los Estados Unidos para microondas a 10 mW/cm 2 [101] A 23 mW/cm 2 , los estudios muestran que los humanos experimentan déficits significativos en el aprendizaje espacial y la memoria. [102] Si el diámetro del conjunto SPSP propuesto se aumenta en 2,5x, la densidad de energía en el suelo aumenta a 1 W/cm 2 . [a] En este nivel, la dosis letal media para ratones es de 30 a 60 segundos de exposición a microondas. [103] Si bien se debe evitar diseñar un conjunto con un diámetro 2,5 veces mayor, el potencial militar de doble uso de un sistema de este tipo es fácilmente evidente.

Con un buen diseño de lóbulos laterales del conjunto, la energía que llega al exterior del receptor puede ser inferior a los niveles a largo plazo establecidos por la OSHA [104], ya que más del 95 % de la energía del haz incidirá en la rectenna. Sin embargo, cualquier error de orientación accidental o intencional del satélite podría ser mortal para la vida en la Tierra dentro del haz.

La exposición al haz se puede minimizar de varias maneras. En tierra, suponiendo que el haz esté apuntado correctamente, el acceso físico debe ser controlable (por ejemplo, mediante vallas). Las aeronaves típicas que vuelan a través del haz proporcionan a los pasajeros una carcasa metálica protectora (es decir, una jaula de Faraday ), que interceptará las microondas. [ investigación original? ] Otras aeronaves ( globos , ultraligeros , etc.) pueden evitar la exposición utilizando el espacio aéreo controlado, como se hace actualmente para el espacio aéreo militar y otros espacios aéreos controlados. Además, una restricción de diseño es que el haz de microondas no debe ser tan intenso como para dañar la vida silvestre, en particular las aves. Se han hecho sugerencias para ubicar rectenas en alta mar, [105] [106] pero esto presenta graves problemas, incluida la corrosión, las tensiones mecánicas y la contaminación biológica.

Un método comúnmente propuesto para garantizar la orientación del haz a prueba de fallos es utilizar una antena/rectena de matriz en fase retrodireccional . Un haz de microondas "piloto" emitido desde el centro de la rectena en el suelo establece un frente de fase en la antena transmisora. Allí, los circuitos en cada uno de los subconjuntos de la antena comparan el frente de fase del haz piloto con una fase de reloj interna para controlar la fase de la señal saliente. Si el desfase de fase con respecto al piloto se elige igual para todos los elementos, el haz transmitido debería estar centrado con precisión en la rectena y tener un alto grado de uniformidad de fase; si el haz piloto se pierde por cualquier motivo (si la antena transmisora ​​se aleja de la rectena, por ejemplo), el valor de control de fase falla y el haz de potencia de microondas se desenfoca automáticamente. [107] Un sistema de este tipo no enfocaría su haz de potencia de manera muy efectiva en cualquier lugar que no tuviera un transmisor de haz piloto. Los efectos a largo plazo de la transmisión de potencia a través de la ionosfera en forma de microondas aún deben estudiarse.

Cronología

En el siglo XX

En el siglo XXI

Configuraciones no típicas y consideraciones arquitectónicas

El sistema de sistemas de referencia típico implica un número significativo (varios miles de sistemas de varios gigavatios para satisfacer la totalidad o una parte significativa de los requisitos energéticos de la Tierra) de satélites individuales en órbita geoestacionaria. El diseño de referencia típico para el satélite individual está en el rango de 1 a 10 GW y generalmente implica energía solar fotovoltaica (PV) planar o concentrada como colector/conversión de energía. Los diseños de transmisión más típicos están en la banda de RF de 1 a 10 GHz (2,45 o 5,8 GHz), donde hay pérdidas mínimas en la atmósfera. Los materiales para los satélites se obtienen y fabrican en la Tierra y se espera que se transporten a la órbita terrestre baja mediante el lanzamiento de un cohete reutilizable, y se transporten entre la órbita terrestre baja y la órbita geoestacionaria mediante propulsión química o eléctrica. En resumen, las opciones de arquitectura son:

Existen varias variantes de diseño interesantes del sistema de referencia:

Ubicación alternativa de recolección de energía: si bien GEO es la más típica debido a sus ventajas de proximidad a la Tierra, apuntamiento y seguimiento simplificados, tiempo muy pequeño en ocultación y escalabilidad para satisfacer toda la demanda global varias veces, se han propuesto otras ubicaciones:

Captación de energía: Los diseños más habituales de satélites de energía solar incluyen la energía fotovoltaica. Estos pueden ser planos (y normalmente refrigerados de forma pasiva), concentrados (y quizás refrigerados de forma activa). Sin embargo, existen múltiples variantes interesantes.

Arquitectura satelital alternativa: El satélite típico es una estructura monolítica compuesta por una armadura estructural, uno o más colectores, uno o más transmisores y, ocasionalmente, reflectores primarios y secundarios. La estructura completa puede estabilizarse mediante gradiente de gravedad. Los diseños alternativos incluyen:

Transmisión: El diseño más típico para la transmisión de energía es mediante una antena de RF a menos de 10 GHz hasta una rectenna en el suelo. Existe controversia sobre los beneficios de los klistrones, girotrones, magnetrones y estado sólido. Los enfoques de transmisión alternativos incluyen:

Materiales y fabricación: Los diseños típicos utilizan el sistema de fabricación industrial desarrollado que existe en la Tierra y utilizan materiales terrestres tanto para el satélite como para el combustible. Las variantes incluyen:

Método de instalación/Transporte de material al lugar de recolección de energía: En los diseños de referencia, el material componente se lanza a través de cohetes químicos bien conocidos (normalmente sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables) a la órbita terrestre baja, tras lo cual se utiliza propulsión química o eléctrica para llevarlos a la órbita terrestre baja. Las características deseadas para este sistema son un flujo de masa muy alto a un bajo costo total. Los conceptos alternativos incluyen:

Galería

Véase también

Notas

  1. ^ Un aumento del diámetro del conjunto espacial de 2,5x aumenta el número de elementos del conjunto en 6,25x, lo que aumenta la potencia total transmitida por este factor. Además, para un haz de microondas coherente, el área del punto en el suelo disminuye en 6,25x, por lo que la densidad de potencia en el suelo aumenta en 6,25 2 = 40x. Esto aumenta los 23 W/cm 2 propuestos a aproximadamente 1 W/cm 2

Referencias

La Sociedad Nacional del Espacio mantiene una extensa biblioteca sobre energía solar espacial Archivada el 14 de abril de 2018 en Wayback Machine con todos los documentos y estudios históricos más importantes asociados con la energía solar espacial, así como los principales artículos de noticias Archivado el 29 de mayo de 2016 en Wayback Machine .

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