Concepto de recolectar energía solar en el espacio ultraterrestre y distribuirla a la Tierra
Concepto SPS del concentrador simétrico integrado de la NASA
La energía solar espacial ( SBSP , SSP ) es el concepto de recolectar energía solar en el espacio exterior con satélites de energía solar ( SPS ) y distribuirla a la Tierra . Entre sus ventajas se encuentran una mayor captación de energía debido a la falta de reflexión y absorción por la atmósfera , la posibilidad de pasar muy poca noche y una mejor capacidad de 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 puede transmitirse a través de la atmósfera a receptores en la superficie de la Tierra.
Se han investigado varias propuestas de SBSP desde principios de la década de 1970, [1] [2] pero ninguna es económicamente viable con los costos actuales de lanzamiento espacial. Algunos tecnólogos proponen reducir los costos de lanzamiento con fabricación espacial o con nuevas tecnologías radicales de lanzamiento espacial distintas a los cohetes .
Además del coste, el SBSP también introduce varios obstáculos tecnológicos, incluido el problema de la transmisión de 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 de SBSP generalmente incluyen la transmisión de energía inalámbrica con sus ineficiencias de conversión concomitantes, 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 reccena de microondas ) en la superficie de la Tierra. Contrariamente a lo que parece en la ficción, la mayoría de los diseños proponen densidades de energía del haz que no son dañinas si los seres humanos quedaran expuestos 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 terreno cerca de los usuarios finales. La vida útil de los colectores espaciales frente a la exposición prolongada al entorno espacial, incluida la degradación por radiación y daños por micrometeoritos , también podría convertirse en una preocupación para SBSP.
A partir de 2020, Japón, China, [3] Rusia, India, el Reino Unido, [4] y Estados Unidos están aplicando activamente el SBSP .
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 el 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 había comenzado 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 espacial de energía solar funcional con valor práctico. Se informó que los científicos chinos planeaban lanzar varias centrales eléctricas espaciales 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 EE. UU. realizó su primera prueba de generación de energía solar en un satélite. [9] En agosto de 2021, el Instituto de Tecnología 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 sido desde 2013. financiando el Proyecto de Energía Solar Espacial del instituto, donando más de 100 millones de dólares. [10] [11] Un equipo de Caltech demostró con éxito transmitir energía a la Tierra en 2023. [11]
Historia
Un rayo piloto láser guía la transmisión de energía de microondas a una reccena.
En 1941, el escritor de ciencia ficción Isaac Asimov publicó el cuento de ciencia ficción " Razón ", en el que una estación espacial transmite la energía recogida del Sol a varios planetas mediante haces de microondas. El concepto SBSP, originalmente conocido como sistema de energía solar por satélite (SSPS), se describió por primera vez en noviembre de 1968. [12] En 1973, Peter Glaser obtuvo 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 hasta 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 otras cuatro empresas en un estudio más amplio en 1974. Descubrieron que, si bien el concepto tenía varios problemas importantes (principalmente el gasto de colocar el Los materiales requeridos en órbita y la falta de experiencia en proyectos de esta escala en el espacio, mostraron suficiente promesa como para merecer más investigación e investigación. [14]
Programa de desarrollo y evaluación de conceptos
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 Evaluación y Desarrollo de Conceptos de Sistemas de Energía por Satélite. [15] [16] El estudio sigue siendo el más extenso realizado hasta la fecha (presupuesto de 50 millones de dólares). [17] Se publicaron varios informes investigando la viabilidad de ingeniería de tal proyecto. Incluyen:
Concepto artístico de un satélite de energía solar instalado. Se muestra el montaje de una antena de transmisión de microondas. El satélite de energía solar debía ubicarse en una órbita geosincrónica, a 35.786 kilómetros (22.236 millas) sobre la superficie de la Tierra. NASA 1976
Requisitos de recursos (materiales críticos, energía y tierra) [18]
Escenarios financieros/de gestión [19] [20]
Aceptación pública [21]
Regulaciones estatales y locales aplicadas a las instalaciones de antenas receptoras de microondas del sistema de energía satelital [22]
Participación estudiantil [23]
Potencial del láser para la transmisión de potencia SBSP [24]
Acuerdos Internacionales [25] [26]
Centralización/Descentralización [27]
Mapeo de áreas de exclusión para sitios Rectenna [28]
Cuestiones económicas y demográficas relacionadas con el despliegue [29]
Algunas preguntas y respuestas [30]
Efectos meteorológicos sobre la propagación del rayo láser y los láseres de bombeo solar directo [31]
Experimento de divulgación pública [32]
Evaluación y resumen técnico de transmisión y recepción de energía [33]
Transporte espacial [34]
Discontinuación
El proyecto no tuvo continuidad con el cambio de administraciones después de las elecciones estadounidenses de 1980 . La Oficina de Evaluación de Tecnología concluyó que "actualmente se sabe muy poco sobre los aspectos técnicos, económicos y ambientales de las SPS como para tomar una decisión acertada sobre si se debe proceder con su desarrollo y despliegue. Además, sin más investigación se puede realizar una demostración o sistemas de SPS". El programa de verificación de ingeniería sería una empresa de alto riesgo". [35]
En 1997, la NASA llevó a cabo su estudio "Fresh Look" para examinar el estado moderno de la viabilidad del SBSP. Al evaluar "lo que ha cambiado" desde el estudio del DOE, la NASA afirmó que "la Política Espacial Nacional de EE. UU. ahora exige que la NASA haga inversiones significativas en tecnología (no en un vehículo en particular) para reducir 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 basada en el espacio es aproximadamente cinco órdenes de magnitud más cara que la energía solar del desierto de Arizona, y que un costo importante es el transporte de materiales a la órbita. Worden se refirió a las posibles soluciones como especulativas y no estarán disponibles durante 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 realizar viajes espaciales para traer energía solar espacial a la Tierra." [38]
Programa de investigación y tecnología exploratoria
Concepto SPS de concentrador simétrico integrado SERT.NASA
En 1999, la NASA inició su programa de investigación y tecnología exploratoria de energía solar espacial (SERT) con los siguientes propósitos:
Realizar estudios de diseño de conceptos de demostración de vuelo seleccionados.
Evaluar estudios de factibilidad general, diseño y requisitos.
Crear diseños conceptuales de subsistemas que hagan uso de tecnologías SSP avanzadas para beneficiar futuras aplicaciones espaciales o terrestres.
Formular un plan de acción preliminar para que Estados Unidos (en colaboración con socios internacionales) emprenda una iniciativa tecnológica agresiva.
Construir hojas de ruta de demostración y desarrollo de tecnología para elementos críticos de energía solar espacial (SSP).
SERT se dedicó a desarrollar un concepto de satélite de energía solar (SPS) para un futuro sistema de energía espacial de gigavatios , para proporcionar energía eléctrica convirtiendo la energía del Sol y transmitiéndola a la superficie de la Tierra, y proporcionó un camino de desarrollo conceptual que utilizaría las tecnologías actuales. SERT propuso una estructura de gasa fotovoltaica inflable con lentes concentradores o motores de calor solar para convertir la luz solar en electricidad. El programa examinó tanto sistemas en órbita heliosincrónica como en órbita geosincrónica . Algunas de las conclusiones del SERT:
Es probable que la creciente demanda mundial de energía continúe durante muchas décadas, lo que dará lugar a la construcción de nuevas centrales eléctricas de todos los tamaños.
El impacto ambiental de esas plantas y su impacto en el suministro mundial de energía y las relaciones geopolíticas pueden ser problemáticos.
La energía renovable es un enfoque convincente, tanto desde el punto de vista filosófico como de ingeniería.
Muchas fuentes de energía renovables tienen una capacidad limitada para proporcionar de manera asequible la energía de carga básica necesaria para el desarrollo industrial y la prosperidad global, debido a los requisitos inherentes de tierra y agua.
Según su estudio de definición de conceptos, los conceptos de energía solar espacial pueden estar listos para volver a entrar en la discusión.
Ya no se debe considerar que los satélites de energía solar requieran inversiones iniciales inimaginablemente grandes en infraestructura fija antes de que pueda comenzar la instalación de plantas de energía productivas.
Los sistemas de energía solar espacial parecen poseer muchas ventajas ambientales significativas en comparación con enfoques alternativos.
La viabilidad económica de los sistemas de energía solar espacial depende de muchos factores y del desarrollo exitoso de diversas tecnologías nuevas (entre ellas, la disponibilidad de un acceso al espacio a un costo mucho más bajo que el que ha estado disponible hasta ahora); sin embargo, lo mismo puede decirse de muchas otras opciones de tecnologías energéticas avanzadas.
La energía solar espacial bien puede surgir como una candidata seria entre las opciones para satisfacer las demandas energéticas del siglo XXI. [39]
La revista IEEE Spectrum de mayo de 2014 publicó un extenso artículo "Siempre hay sol en el espacio" de Susumu Sasaki. [40] El artículo decía: "Ha sido objeto de muchos estudios previos y material de ciencia ficción durante décadas, pero la energía solar basada en el espacio podría por fin convertirse en una realidad, y dentro de 25 años, según una propuesta de investigadores. en la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) con sede en Tokio ".
JAXA anunció el 12 de marzo de 2015 que transmitieron de forma inalámbrica 1,8 kilovatios a 50 metros a un pequeño receptor convirtiendo la electricidad en microondas y luego nuevamente 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 potencia 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 captación de energía solar:
Las superficies colectoras podrían recibir luz solar mucho más intensa, debido a la falta de obstrucciones como gases atmosféricos , nubes , polvo y otros fenómenos meteorológicos. En consecuencia, la intensidad en órbita es aproximadamente el 144% de la intensidad máxima alcanzable en la superficie terrestre. [ cita necesaria ]
Un satélite podría estar iluminado más del 99% del tiempo y estar a la sombra de la Tierra un máximo de sólo 72 minutos por noche en los equinoccios de primavera y otoño a la medianoche local. [44] Los satélites en órbita pueden estar expuestos a un grado constantemente alto de radiación solar , generalmente durante las 24 horas del día, mientras que los paneles solares de la superficie terrestre actualmente recolectan energía durante un promedio del 29% del día. [45]
La energía podría redirigirse con relativa rapidez y directamente a las zonas que más la necesitan. Un satélite colector podría posiblemente dirigir la energía según la demanda a diferentes ubicaciones de la superficie en función de las necesidades de energía de carga base geográfica o de carga máxima .
El concepto SBSP también presenta una serie de problemas:
El alto coste de lanzar un satélite al espacio. Para 6,5 kg/kW, el costo de colocar un satélite de energía en órbita geosincrónica (GEO) no puede exceder los 200 dólares/kg si se quiere que el costo de la energía sea competitivo.
La óptica de microondas requiere una escala de gigavatios para compensar la dispersión del haz del disco Airy . Normalmente, un disco transmisor de 1 km a 2,45 GHz se extiende hasta 10 km a una distancia de la Tierra.
Incapacidad para limitar la transmisión de potencia dentro de ángulos de haz pequeños. Por ejemplo, se requiere un haz de 0,002 grados (7,2 segundos de arco) para permanecer dentro de un objetivo de antena receptora de un kilómetro desde una altitud geoestacionaria. Los sistemas de transferencia de energía inalámbrica direccional más avanzados a partir de 2019 distribuyen la mitad del ancho de su haz de potencia en al menos 0,9 grados de arco. [46] [47] [48] [49]
Inaccesibilidad: El mantenimiento de un panel solar terrestre es relativamente sencillo, pero la construcción y el mantenimiento de un panel solar en el espacio normalmente se realizarían de forma telerobótica. Además del costo, los astronautas que trabajan en GEO están expuestos a peligros y riesgos de radiación inaceptablemente altos y cuestan alrededor de mil veces más que la misma tarea realizada por medios telerobóticos.
El entorno espacial es hostil; Los paneles fotovoltaicos (si se usan) sufren aproximadamente ocho veces la degradación que sufrirían en la Tierra (excepto en órbitas protegidas por la magnetosfera). [50]
Los desechos espaciales representan un peligro importante para los objetos grandes en el espacio, en particular para las grandes estructuras, como los sistemas SBSP, en tránsito a través de los desechos por debajo de los 2.000 km. El riesgo de colisión se reduce mucho en GEO ya que todos los satélites se mueven en la misma dirección a una velocidad muy cercana. [51]
La frecuencia de transmisión del enlace descendente de microondas (si se usa) requeriría aislar los sistemas SBSP de otros satélites. El espacio GEO ya está bien utilizado y requeriría coordinación con el UIT-R . [52]
El gran tamaño y el correspondiente coste de la estación receptora en tierra. El investigador del SBSP Keith Henson estimó el coste de 5 GW en mil millones de dólares .
Pérdidas de energía durante varias fases de conversión de fotones a electrones y de fotones a electrones. [53] [54]
La eliminación del calor residual en los sistemas de energía espacial es difícil al principio, pero se vuelve intratable cuando toda la nave espacial está diseñada para absorber la mayor cantidad de radiación solar posible. Los sistemas tradicionales de control térmico de las naves espaciales, como las veletas radiativas, pueden interferir con la oclusión de los paneles solares o los transmisores de energía.
Costos de desmantelamiento: Es probable que el costo de sacar de órbita los satélites al final de su vida útil para evitar que exacerben el problema de los desechos espaciales orbitales debido a los impactos con desechos de asteroides, cometas y planetarios [55] sea significativo. Si bien es difícil estimar el costo futuro de impartir Delta-V , la cantidad de Delta-V que se debe impartir para transferir un satélite de GEO a GTO es de 1472 m/s 2 . Si, al reingresar, el satélite en desintegración liberaría sustancias químicas peligrosas a la atmósfera terrestre, entonces los gastos adicionales de desarmar el satélite y desorbitar los componentes ambientalmente peligrosos dentro de un vehículo espacial con capacidad de masa descendente deben tenerse en cuenta en los costos de desmantelamiento.
Diseño
Concepto artístico de un disco solar encima de un remolcador espacial de propulsión eléctrica LEO a GEO .
La energía solar espacial consta esencialmente de tres elementos: [2]
Recoger energía solar en el espacio con reflectores o espejos inflables sobre células solares o calentadores para sistemas térmicos.
Recibir energía en la Tierra a través de una reccena , una antena de microondas.
La parte espacial no necesitará sostenerse contra la gravedad (aparte de las tensiones de marea relativamente débiles). No necesita protección contra el viento terrestre o el clima, pero tendrá que hacer frente a peligros espaciales como micrometeoritos 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 mediante 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 láser o de microondas en una variedad de frecuencias.
Transmisión de potencia por microondas
William C. Brown demostró en 1964, durante el programa CBS News de Walter Cronkite , un modelo de helicóptero propulsado por microondas que recibía toda la potencia necesaria para volar de un haz de microondas. Entre 1969 y 1975, Bill Brown fue director técnico de un programa JPL Raytheon que emitía 30 kW de potencia a una distancia de 1,6 km (1 milla) con una eficiencia del 9,6%. [56] [57]
La transmisión de energía por microondas de decenas de kilovatios ha quedado bien demostrada mediante pruebas realizadas en Goldstone en California (1975) [57] [58] [59] y Grand Bassin en la Isla de la Reunión (1997). [60]
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, junto con la captura de energía solar, entre la cima de una montaña en Maui y la isla de Hawaii (a 150 kilómetros de distancia) . [61] [62]
Los desafíos tecnológicos en términos de diseño de conjuntos, diseño de elementos de radiación únicos 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 para transmisión de energía solar", celebrado durante el Simposio IEEE sobre Antenas y Propagación de 2010. [63] En 2013, se publicó una útil descripción general que abarca tecnologías y cuestiones asociadas con la transmisión de energía de microondas desde el espacio a la Tierra. Incluye una introducción a las MSF, la investigación actual y las perspectivas futuras. [64]
Además, en las Actas del IEEE apareció una revisión de las metodologías y tecnologías actuales para el diseño de conjuntos de antenas para la transmisión de energía de microondas. [sesenta y cinco]
Rayo de energía láser
Algunos miembros de la NASA concibieron la emisión de energía láser como un trampolín hacia una mayor industrialización del espacio. En la década de 1980, los investigadores de la NASA trabajaron en el uso potencial de láseres para transmitir energía espacio-espacio, centrándose principalmente en el desarrollo de un láser alimentado por energía solar. En 1989 se sugirió que también sería útil transmitir energía mediante láser desde la Tierra al espacio. En 1991 se inició el proyecto SELENE (SpacE Laser ENErgy), que incluía el estudio de la emisión de energía 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 terminó en 1993 antes de llegar a una demostración en el espacio. [66]
Ubicación orbital
La principal ventaja de ubicar una central 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 la primera central espacial se coloca en órbita; LEO requiere varios satélites antes de que produzcan energía casi continua.
La transmisión de energía desde la órbita geoestacionaria mediante microondas conlleva la dificultad de que los tamaños de "apertura óptica" necesarios son muy grandes. Por ejemplo, el estudio SPS de la NASA de 1978 requería una antena transmisora de 1 km de diámetro y una rectina receptora de 10 km de diámetro para un haz de microondas a 2,45 GHz . Estos tamaños pueden reducirse 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 de la matriz adelgazada , no es posible crear 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 mínimo práctico para un SPS será necesariamente alto; Los sistemas MSF pequeños serán posibles, pero antieconómicos. [ ¿ investigacion original? ]
La reccena terrestre probablemente consistiría en muchas antenas dipolo cortas conectadas mediante diodos . Las transmisiones de microondas del satélite se recibirían en los dipolos con aproximadamente un 85% de eficiencia. [68] Con una antena de microondas convencional, la eficiencia de recepción es mejor, pero su costo y complejidad también son considerablemente mayores. Las rectennas 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 costos masivos para aterrizar la fuente de energía. Una nave espacial u otro satélite también podría funcionar con los mismos medios. En un informe de 2012 presentado a la NASA sobre la energía solar espacial, el autor menciona que otro uso potencial de la tecnología detrás de la energía solar espacial podría ser sistemas de propulsión eléctrica solar que podrían usarse para misiones interplanetarias de exploración humana. [69] [70] [71]
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 inmediatamente a su órbita final, lo que plantea la posibilidad de que motores de alta eficiencia (pero más lentos) puedan mover material SPS de LEO a GEO a un costo aceptable. Los ejemplos incluyen propulsores de iones o propulsión nuclear .
Para dar una idea de la magnitud 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 los espejos de enfoque), una central eléctrica de 4 GW pesaría alrededor de 80.000 toneladas métricas , [72] todas las cuales, en las circunstancias actuales, serían lanzadas desde la Tierra. Sin embargo, esto está lejos del estado de la técnica para las naves espaciales voladoras, que en 2015 era de 150 W/kg (6,7 kg/kW), y está mejorando rápidamente. [73] Los diseños muy livianos probablemente podrían alcanzar 1 kg/kW, [74] lo que significa 4.000 toneladas métricas para los paneles solares para la misma estación de 4 GW de capacidad. Más allá de la masa de los paneles, se debe agregar la sobrecarga (incluido el impulso a la órbita deseada y el mantenimiento de la posición).
A estos costes hay que añadir el impacto medioambiental de las misiones de lanzamiento espacial pesadas, si se quiere utilizarlos en comparación con la producción de energía terrestre. A modo de comparación, el coste directo de una nueva central de carbón [75] o de energía nuclear oscila entre 3.000 y 6.000 millones de dólares por GW (sin incluir el coste total para el medio ambiente por las emisiones de CO 2 o el almacenamiento de combustible nuclear gastado, respectivamente).
Construyendo desde el espacio
De materiales lunares lanzados en órbita.
Gerard O'Neill , observando el problema de los elevados costes de lanzamiento a principios de los años 1970, propuso construir los SPS en órbita con materiales procedentes de la Luna . [76] 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 la década de 1970 asumió el costo del futuro lanzamiento del transbordador espacial de la NASA, entonces anunciado. Este enfoque requeriría una importante inversión inicial de capital para establecer motores de masa en la Luna. [77] Sin embargo, el 30 de abril de 1979, el Informe Final ("Utilización de Recursos Lunares para la Construcción Espacial") 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 el uso de recursos terrestres. materiales para un sistema de tan sólo treinta satélites de energía solar de 10 GW de capacidad cada uno. [78]
En 1980, cuando se hizo evidente que las estimaciones de costos de lanzamiento del transbordador espacial de la NASA eran tremendamente optimistas, O'Neill et al. publicó otra ruta para la fabricación utilizando materiales lunares con costos iniciales mucho más bajos. [79] Este concepto 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 neta de energía de esta propuesta se deriva del pozo gravitacional mucho menos profundo de la Luna .
Tener una fuente de materias primas espaciales relativamente barata por libra reduciría la preocupación por diseños de baja masa y daría como resultado la construcción de un tipo diferente de SPS. El bajo costo por libra de materiales lunares en la visión de O'Neill se vería respaldado mediante el uso de material lunar para fabricar más instalaciones en órbita que solo satélites de energía solar. Las técnicas avanzadas para el lanzamiento desde la Luna pueden reducir el costo de construir un satélite de energía solar a partir de materiales lunares. Algunas técnicas propuestas incluyen el impulsor de masa lunar y el ascensor espacial lunar , descritos por primera vez por Jerome Pearson. [80] Sería necesario establecer instalaciones de extracción de silicio y de fabricación de células solares en la Luna . [ cita necesaria ]
En la Luna
El físico Dr. David Criswell sugiere que la Luna es la ubicación óptima para las estaciones de energía solar y promueve la energía solar basada en la Luna . [81] [82] [83] La principal ventaja que imagina es la construcción en gran medida 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 vehículos exploradores para ensamblar y pavimentar paneles solares. [84] , lo que reduciría significativamente los costos de lanzamiento en comparación con los diseños SBSP. También forman parte del proyecto los satélites de retransmisión de energía que orbitan alrededor de la Tierra y la Luna y que reflejan el haz de microondas. Un proyecto de demostración de 1 GW comienza en 50 mil millones de dólares. [85] Shimizu Corporation utiliza una combinación de láseres y microondas para el concepto Luna Ring , junto con satélites de retransmisión de energía. [86] [87]
De un asteroide
También se ha considerado seriamente la extracción de asteroides . Un estudio de diseño de la NASA [88] 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 del barco minero serían una carga útil tradicional de grado aeroespacial. El resto sería masa de reacción para el motor impulsor de masa, que podría organizarse para que sean las etapas gastadas del cohete utilizadas para lanzar la carga útil. Suponiendo que el 100% del asteroide devuelto fuera útil y que el minero del asteroide en sí no pudiera reutilizarse, eso representa una reducción de casi el 95% en los costos de lanzamiento. Sin embargo, los verdaderos méritos de tal método dependerían de un estudio minucioso de los minerales de los asteroides candidatos; Hasta el momento, sólo tenemos estimaciones de su composición. [89] Una propuesta es capturar el asteroide Apophis en órbita terrestre 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 5 gigavatios. satélites de energía solar [90]
Galería
Una base lunar con un conductor de masa (la estructura larga que va hacia el horizonte). Ilustración conceptual de la NASA
La concepción de un artista de una fábrica lunar robótica de "crecimiento propio".
Reflectores de microondas en la luna y grúa y pavimentadora robótica teleoperada.
"Crawler" atraviesa la superficie lunar, alisa, derrite una capa superior de regolito y luego deposita elementos de células fotovoltaicas de silicio directamente sobre la superficie.
Bosquejo del Lunar Crawler que se utilizará para la fabricación de células solares lunares en la superficie de la Luna.
Aquí se muestra una serie de colectores solares que convierten la energía en rayos de microondas dirigidos hacia la Tierra.
Un satélite de energía solar construido a partir de un asteroide minado.
Seguridad
El uso de la transmisión de energía por microondas ha sido el tema más controvertido al considerar cualquier diseño de SPS. En la superficie de la Tierra, un haz de microondas sugerido tendría una intensidad máxima en su centro, de 23 mW/cm 2 (menos de 1/4 de la constante de irradiación solar ), y una intensidad de menos de 1 mW/cm 2 fuera de la reccena. valla (el perímetro del receptor). [91] Estos se comparan con los límites actuales de exposición a microondas en el lugar de trabajo de la Ley de Salud y Seguridad Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA), que son 10 mW/cm 2 , [92] [ ¿ investigación original? ] - el límite en sí se expresa en términos voluntarios y se declara inaplicable para fines de cumplimiento federal de OSHA. [ cita necesaria ] Por lo tanto, un haz de esta intensidad está en su centro, de una magnitud similar a los niveles actuales de seguridad en el lugar de trabajo, incluso para una exposición a largo plazo o indefinida. [ ¿ investigacion original? ] Fuera del receptor, es mucho menor que los niveles a largo plazo de OSHA [93] Más del 95% de la energía del haz caerá en la reccena. La energía de microondas restante será absorbida y dispersada dentro de los estándares actualmente impuestos a las emisiones de microondas en todo el mundo. [94] Es importante para la eficiencia del sistema que la mayor cantidad posible de radiación de microondas se concentre en la reccena. Fuera de la reccena, las intensidades de las microondas disminuyen rápidamente, por lo que las ciudades cercanas u otras actividades humanas no deberían verse afectadas en absoluto. [95]
La exposición al haz se puede minimizar de otras formas. En tierra, el acceso físico es controlable (por ejemplo, a través de vallas), y los aviones típicos que vuelan a través del haz proporcionan a los pasajeros una carcasa metálica protectora (es decir, una jaula de Faraday ), que interceptará las microondas. Otras aeronaves ( globos , ultraligeros , etc.) pueden evitar la exposición utilizando el espacio aéreo controlado, como se hace actualmente con el espacio aéreo militar y otros espacios aéreos controlados. La intensidad del haz de microondas al nivel del suelo en el centro del haz se diseñaría e integraría físicamente en el sistema; simplemente, el transmisor estaría demasiado lejos y demasiado pequeño para poder aumentar la intensidad a niveles inseguros, incluso en principio.
Además, una limitación del diseño es que el haz de microondas no debe ser tan intenso como para dañar la vida silvestre, particularmente las aves. Los experimentos con irradiación deliberada de microondas a niveles razonables no han logrado mostrar efectos negativos ni siquiera a lo largo de varias generaciones. [96] Se han hecho sugerencias para ubicar rectennas en alta mar, [97] [98] pero esto presenta serios problemas, incluyendo corrosión, tensiones mecánicas y contaminación biológica.
Un enfoque comúnmente propuesto para garantizar la orientación del haz a prueba de fallos es utilizar una antena/rectena de matriz en fase retrodirectiva . Un haz de microondas "piloto" emitido desde el centro de la reccena en tierra 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 interno para controlar la fase de la señal saliente. Esto obliga al haz transmitido a estar centrado precisamente en la rectina y a 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 reccena, por ejemplo), el valor de control de fase falla y el haz de potencia de microondas se desenfoca automáticamente. [95] Un sistema de este tipo sería físicamente incapaz de enfocar su haz de energía en cualquier lugar que no tuviera un transmisor de haz piloto. Aún no se han estudiado los efectos a largo plazo de la transmisión de energía a través de la ionosfera en forma de microondas, pero no se ha sugerido nada que pueda conducir a un efecto significativo.
Línea de tiempo
En el siglo 20
1941 : Isaac Asimov publica el cuento de ciencia ficción "La razón", en el que una estación espacial transmite la energía recogida del sol a varios planetas mediante haces de microondas.
1968 : Peter Glaser introduce el concepto de un sistema de "satélite de energía solar" con kilómetros cuadrados de colectores solares en órbita geosincrónica alta para recolectar y convertir la energía del sol en un haz de microondas para transmitir energía utilizable a grandes antenas receptoras ( rectenas ) en la Tierra para distribución.
1973 : a Peter Glaser se le concede la patente estadounidense número 3.781.647 por su método de transmitir energía a largas distancias utilizando microondas desde una antena grande (de un kilómetro cuadrado) en el satélite a una mucho más grande en tierra, ahora conocida como rectenna. [13]
1995–1997 : La NASA lleva a cabo un estudio de "nueva mirada" sobre los conceptos y tecnologías de la energía solar espacial (SSP).
1998 : El Estudio de Definición del Concepto de Energía Solar Espacial (CDS) identifica conceptos de SSP creíbles y comercialmente viables, al tiempo que señala los riesgos técnicos y programáticos.
1998 : la agencia espacial japonesa comienza a desarrollar un sistema de energía solar espacial (SSPS), programa que continúa hasta el día de hoy. [99]
2000 : John Mankins, de la NASA, testifica en la Cámara de Representantes de EE. UU . y afirma que "el SSP a gran escala es un sistema integrado de sistemas muy complejo que requiere numerosos avances significativos en la tecnología y las capacidades actuales. Se ha desarrollado una hoja de ruta tecnológica que establece caminos potenciales". para lograr todos los avances necesarios, aunque sea a lo largo de varias décadas [17] .
En el siglo 21
2001 : NASDA (una de las agencias espaciales nacionales de Japón antes de pasar a formar parte de JAXA ) anuncia planes para realizar investigaciones adicionales y creación de prototipos mediante el lanzamiento de un satélite experimental con 10 kilovatios y 1 megavatio de potencia. [100] [101]
2007 : La Oficina Espacial de Seguridad Nacional (NSSO) del Pentágono de EE. UU. publica un informe [103] el 10 de octubre de 2007 en el que afirma que tienen la intención de recolectar energía solar del espacio para usarla en la Tierra para ayudar a la relación actual de Estados Unidos con Medio Oriente. y la batalla por el petróleo. Una planta de demostración podría costar 10.000 millones de dólares, producir 10 megavatios y entrar en funcionamiento en 10 años. [104]
2007 : En mayo de 2007, se lleva a cabo un taller en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) de EE. UU . para revisar el estado actual del mercado y la tecnología de SBSP. [105]
2010 : Los profesores Andrea Massa y Giorgio Franceschetti anuncian una sesión especial sobre el "Análisis de sistemas inalámbricos electromagnéticos para la transmisión de energía solar" en el Simposio internacional sobre antenas y propagación del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de 2010 . [106]
2010 : La Organización de Investigación Espacial de la India y la Sociedad Espacial Nacional de Estados Unidos lanzaron un foro conjunto para mejorar la asociación en el aprovechamiento de la energía solar a través de colectores solares espaciales. El foro, denominado Iniciativa Kalam-NSS en honor al ex presidente indio Dr. APJ Abdul Kalam , sentará las bases para el programa de energía solar basado en el espacio al que podrían sumarse otros países. [107]
2010: Sky's No Limit: Energía solar basada en el espacio, ¿el próximo gran paso en la asociación estratégica entre India y Estados Unidos? escrito por el teniente coronel de la USAF Peter Garretson fue publicado en el Instituto de Estudios y Análisis de Defensa. [108]
2012 : China propuso un desarrollo conjunto entre India y China para desarrollar un satélite de energía solar, durante una visita del ex presidente indio Dr. APJ Abdul Kalam . [109]
2015: Se establece la Iniciativa de Energía Solar Espacial (SSPI) entre Caltech y Northrop Grumman Corporation. Se estima que se proporcionarán 17,5 millones de dólares a lo largo de un proyecto de tres años para el desarrollo de un sistema de energía solar basado en el espacio.
2015 : JAXA anunció el 12 de marzo de 2015 que transmitieron de forma inalámbrica 1,8 kilovatios a 50 metros a un pequeño receptor convirtiendo la electricidad en microondas y luego nuevamente en electricidad. [41] [42]
2016: El teniente general Zhang Yulin, subjefe del departamento de desarrollo de armamento [EPL] de la Comisión Militar Central, sugirió que China comenzaría a explotar el espacio Tierra-Luna para el desarrollo industrial. El objetivo sería la construcción de satélites espaciales de energía solar que transmitirían energía a la Tierra. [110]
2016: Un equipo con miembros del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), la Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA), la Universidad Aérea de la Fuerza Aérea, Logística del Estado Mayor Conjunto (J-4), el Departamento de Estado, Makins Aerospace y Northrop Grumman ganaron el título de Secretario de Defensa (SECDEF) / Secretario de Estado (SECSTATE) / Desafío de innovación D3 (Diplomacia, Desarrollo, Defensa) de toda la agencia del director de USAID con una propuesta de que Estados Unidos debe liderar en energía solar espacial. La propuesta fue seguida por un vídeo de visión.
2016: Ciudadanos por la energía solar basada en el espacio ha transformado la propuesta del D3 en peticiones activas en el sitio web de la Casa Blanca "Estados Unidos debe liderar la transición a la energía basada en el espacio" y Change.org "Estados Unidos debe liderar la transición a la energía basada en el espacio" junto con el siguiente vídeo.
2016: Erik Larson y otros de la NOAA producen un artículo "Respuesta atmosférica global a las emisiones de un sistema de lanzamiento espacial reutilizable propuesto" [111] El artículo argumenta que se podrían construir hasta 2 TW/año de satélites de potencia sin daños intolerables a la atmósfera. Antes de este artículo, existía la preocupación de que el NOx producido por la reentrada destruiría demasiado ozono.
2016: Ian Cash de SICA Design propone CASSIOPeiA (Constant Aperture, Solid State, Integrated, Orbital Phased Array) un nuevo concepto SPS Faculty Listing | ingeniería Eléctrica y Computación
2017: La NASA selecciona cinco nuevas propuestas de investigación centradas en inversiones en el espacio. La Escuela de Minas de Colorado se centra en las "Tendencias del siglo XXI en la generación y almacenamiento de energía solar desde el espacio".
2019: Aditya Baraskar y el profesor Toshiya Hanada del Laboratorio Dinámico del Sistema Espacial de la Universidad de Kyushu propusieron Energy Orbit (E-Orbit), [112] una pequeña constelación de satélites espaciales de energía solar para la transmisión de energía entre satélites en órbita terrestre baja. Un total de 1.600 satélites para transmitir 10 kilovatios de electricidad en un radio de 500 km a una altitud de 900 km. [113]
2019: China crea una base de pruebas para SBSP y anuncia un plan para lanzar una estación SBSP de 200 toneladas de megavatios en funcionamiento para 2035.
2021: Caltech anuncia que planea lanzar una matriz de prueba SBSP para 2023.
2022: La Iniciativa de Energía Espacial del Reino Unido anunció el lanzamiento de la primera central eléctrica en el espacio a mediados de la década de 2040, para "proporcionar el 30 por ciento de la demanda de electricidad (muy aumentada) del Reino Unido" y "reducir drásticamente la dependencia del Reino Unido de los combustibles fósiles". y vínculos exteriores. [117]
2022: La Agencia Espacial Europea propuso un programa llamado SOLARIS para operar satélites de energía solar a partir de 2030. [118]
2023: El demostrador espacial de energía solar (SSPD-1) de Caltech emite "energía detectable" a la Tierra. [11]
Configuraciones atípicas y consideraciones arquitectónicas.
El sistema de sistemas de referencia típico implica un número significativo (varios miles de sistemas de varios gigavatios para satisfacer todas o una parte significativa de las necesidades energéticas de la Tierra) de satélites individuales en GEO. El diseño de referencia típico para el satélite individual está en el rango de 1 a 10 GW y generalmente involucra energía solar fotovoltaica (PV) planar o concentrada como colector/conversión de energía. Los diseños de transmisión más típicos se encuentran en la banda de RF de 1 a 10 GHz (2,45 o 5,8 GHz), donde las pérdidas en la atmósfera son mínimas. Los materiales para los satélites se obtienen y fabrican en la Tierra y se espera que sean transportados a LEO mediante el lanzamiento de cohetes reutilizables, y transportados entre LEO y GEO mediante propulsión química o eléctrica. En resumen, las opciones de arquitectura son:
Ubicación = GEO
Colección de energía = PV
Satélite = Estructura monolítica
Transmisión = RF
Materiales y fabricación = Tierra
Instalación = RLV a LEO, Químico a GEO
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 cercanía a la Tierra, localización y seguimiento simplificados, tiempo de ocultación muy reducido y escalabilidad para satisfacer varias veces toda la demanda global, se han propuesto otras ubicaciones:
Sol Tierra L1: Robert Kennedy III, Ken Roy y David Fields han propuesto una variante del parasol L1 llamada "Dyson Dots" [119] donde un colector primario de varios teravatios transmitiría energía a una serie de satélites receptores LEO sincrónicos al sol. . La distancia mucho mayor a la Tierra requiere una apertura de transmisión correspondientemente mayor.
Superficie lunar : David Criswell ha propuesto utilizar la propia superficie lunar como medio de recolección, transmitiendo energía al suelo a través de una serie de reflectores de microondas en la órbita terrestre. La principal ventaja de este enfoque sería la capacidad de fabricar colectores solares in situ sin el coste energético ni la complejidad del lanzamiento. Las desventajas incluyen la distancia mucho mayor, que requiere sistemas de transmisión más grandes, la "sobreconstrucción" necesaria para hacer frente a la noche lunar y la dificultad de fabricar y apuntar suficientes satélites reflectores. [120]
MEO: Se han propuesto sistemas MEO para servicios públicos en el espacio e infraestructuras de propulsión por haz de energía. Por ejemplo, consulte el artículo de Royce Jones. [121]
Órbitas muy elípticas: las órbitas Molniya, Tundra o Quazi Zenith se han propuesto como ubicaciones tempranas para nichos de mercado, ya que requieren menos energía para acceder y proporcionan una buena persistencia. [122]
LEO con sincronización solar: en esta órbita cercana a la polar, los satélites preceden a una velocidad que les permite mirar siempre hacia el Sol mientras giran alrededor de la Tierra. Se trata de una órbita de fácil acceso que requiere mucha menos energía, y su proximidad a la Tierra requiere aperturas de transmisión más pequeñas (y, por tanto, menos masivas). Sin embargo, las desventajas de este enfoque incluyen tener que cambiar constantemente las estaciones receptoras o almacenar energía para una transmisión en ráfaga. Esta órbita ya está abarrotada y tiene una cantidad importante de desechos espaciales.
LEO ecuatorial: El SPS 2000 de Japón propuso un primer demostrador en LEO ecuatorial en el que múltiples naciones participantes ecuatoriales podrían recibir algo de energía. [123]
Superficie de la Tierra : Narayan Komerath ha propuesto una red eléctrica espacial donde el exceso de energía de una red o planta de energía existente en un lado del planeta puede pasar a la órbita, a otro satélite y a los receptores. [124]
Captación de energía: Los diseños más típicos de satélites de energía solar incluyen los fotovoltaicos. Estos pueden ser planos (y generalmente enfriados pasivamente), concentrados (y quizás enfriados activamente). Sin embargo, existen múltiples variantes interesantes.
Solar térmica: Los defensores de la energía solar térmica han propuesto utilizar calefacción concentrada para provocar un cambio de estado en un fluido para extraer energía mediante maquinaria giratoria seguida de enfriamiento en radiadores. Las ventajas de este método podrían incluir la masa total del sistema (en disputa), la eliminación de la degradación debida al daño del viento solar y la tolerancia a la radiación. Aquí se ha visualizado un diseño reciente de satélite de energía solar térmica realizado por Keith Henson y otros. Concepto de energía solar espacial térmica Un concepto relacionado está aquí: Arrastre de energía por rayos Los radiadores propuestos son tubos plásticos de pared delgada llenos de vapor de baja presión (2,4 kPa) y temperatura (20 grados C).
Láser bombeado por energía solar: Japón ha buscado un láser bombeado por energía solar , en el que la luz solar excita directamente el medio láser utilizado para crear el haz coherente hacia la Tierra.
Stellaser: Un concepto hipotético de un láser muy grande donde una estrella proporciona tanto la energía láser como el medio láser, produciendo un haz de energía orientable de potencia inigualable.
Decaimiento de la fusión: esta versión de un satélite de energía no es "solar". Más bien, el vacío del espacio se considera una "característica, no un error" de la fusión tradicional. Según Paul Werbos, después de la fusión, incluso las partículas neutras se desintegran en partículas cargadas que, en un volumen suficientemente grande, permitirían la conversión directa en corriente. [ cita necesaria ]
Bucle de viento solar : También llamado satélite Dyson-Harrop . Aquí el satélite no utiliza fotones del Sol, sino partículas cargadas del viento solar que, mediante acoplamiento electromagnético, generan una corriente en un gran bucle.
Espejos directos: Los primeros conceptos para la redirección de la luz en espejos directos hacia el planeta Tierra sufrían el problema de que los rayos provenientes del Sol no son paralelos sino que se expanden desde un disco, por lo que el tamaño de la mancha en la Tierra es bastante grande. Lewis Fraas ha explorado una serie de espejos parabólicos para aumentar los paneles solares existentes. [125]
Arquitectura de satélite 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. Toda la estructura puede estabilizarse por gradiente de gravedad. Los diseños alternativos incluyen:
Enjambres de satélites más pequeños : Algunos diseños proponen enjambres de satélites más pequeños que vuelan libremente. Este es el caso de varios diseños láser y parece ser el caso de las alfombras voladoras de CALTECH. [126] Para los diseños de RF, una restricción de ingeniería es el problema de la matriz adelgazada .
Componentes flotantes libres : Solaren ha propuesto una alternativa a la estructura monolítica donde el reflector primario y el reflector de transmisión vuelan libremente. [127]
Estabilización de giro: la NASA exploró un concepto de película delgada estabilizada por giro.
Estructura estabilizada por propulsor láser fotónico (PLT): Young Bae ha propuesto que la presión de los fotones puede sustituir a los miembros compresivos en estructuras grandes. [128]
Transmisión: El diseño más típico para la transmisión de energía es a través de una antena de RF por debajo de 10 GHz a una reccena en el suelo. Existe controversia entre los beneficios de los klistrones, girotrones, magnetrones y el estado sólido. Los enfoques de transmisión alternativos incluyen:
Láser: Los láseres ofrecen la ventaja de un costo y masa mucho menor a la primera potencia, sin embargo existe controversia respecto a los beneficios de eficiencia. Los láseres permiten aperturas de transmisión y recepción mucho más pequeñas. Sin embargo, un rayo altamente concentrado presenta preocupaciones sobre la seguridad ocular, la seguridad contra incendios y la utilización de armas. Los defensores creen que tienen respuestas a todas estas preocupaciones. Un enfoque basado en láser también debe encontrar formas alternativas de hacer frente a las nubes y las precipitaciones.
Guía de ondas atmosféricas: algunos han propuesto que sería posible utilizar un láser de pulso corto para crear una guía de ondas atmosférica a través de la cual podrían fluir microondas concentradas. [129] [130] [131]
Síntesis nuclear: los aceleradores de partículas ubicados en el sistema solar interior (ya sea en órbita o en un planeta como Mercurio ) podrían utilizar la energía solar para sintetizar combustible nuclear a partir de materiales naturales. Si bien esto sería muy ineficiente usando la tecnología actual (en términos de la cantidad de energía necesaria para fabricar el combustible en comparación con la cantidad de energía contenida en el combustible) y plantearía problemas obvios de seguridad nuclear , la tecnología básica sobre la cual se basaría tal enfoque se utiliza desde hace décadas, lo que lo convierte posiblemente en el medio más fiable para enviar energía, especialmente a distancias muy largas, en particular, desde el sistema solar interior al sistema solar exterior.
Materiales y fabricación: Los diseños típicos hacen uso del sistema de fabricación industrial desarrollado que existe en la Tierra y utilizan materiales terrestres tanto para el satélite como para el propulsor. Las variantes incluyen:
Materiales lunares: existen diseños para satélites de energía solar que obtienen >99% de los materiales del regolito lunar con aportes muy pequeños de "vitaminas" de otros lugares. El uso de materiales de la Luna es atractivo porque el lanzamiento desde la Luna es, en teoría, mucho menos complicado que desde la Tierra. No hay atmósfera, por lo que los componentes no necesitan estar empaquetados herméticamente en un aeroshell y soportan cargas de vibración, presión y temperatura. El lanzamiento puede realizarse a través de un controlador de masa magnética y evitar por completo el requisito de utilizar propulsor para el lanzamiento. El lanzamiento del GEO desde la Luna también requiere mucha menos energía que desde el pozo de gravedad mucho más profundo de la Tierra. Construir todos los satélites de energía solar para suministrar completamente toda la energía necesaria para todo el planeta requiere menos de una millonésima parte de la masa de la Luna.
Autorreplicación en la Luna: La NASA exploró una fábrica autorreplicante en la Luna a principios de los años 1980. [132] Más recientemente, Justin Lewis-Webber propuso un método de fabricación especializada de elementos centrales [133] basado en el diseño SPS-Alpha de John Mankins. [134] [135]
Materiales asteroidales: se cree que algunos asteroides tienen un Delta-V incluso más bajo que la Luna para recuperar materiales, y algunos materiales particulares de interés, como los metales, pueden estar más concentrados o ser más fáciles de acceder.
Fabricación en el espacio/in situ: con la llegada de la fabricación aditiva en el espacio, conceptos como SpiderFab podrían permitir el lanzamiento masivo de materias primas para la extrusión local. [136]
Método de instalación/transporte del material a la ubicación de recolección de energía : en los diseños de referencia, el material componente se lanza a través de cohetes químicos bien conocidos (generalmente sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables) a LEO, después de lo cual se usa propulsión química o eléctrica para llevarlos a LEO. GEO. Las características deseadas para este sistema son un flujo másico muy alto a un costo total bajo. Los conceptos alternativos incluyen:
Lanzamiento de productos químicos lunares : ULA ha presentado recientemente un concepto de módulo de aterrizaje químico XEUS totalmente reutilizable para mover materiales desde la superficie lunar a LLO o GEO. [137]
Conductor de masa lunar : Lanzamiento de materiales desde la superficie lunar mediante un sistema similar a una catapulta electromagnética de portaaviones. Una alternativa compacta inexplorada sería el slingatron.
Ascensor espacial lunar : un cable ecuatorial o casi ecuatorial se extiende hasta el punto de Lagrange y lo atraviesa. Los defensores afirman que esto tiene una masa menor que un controlador de masa tradicional.
Ascensor espacial : una cinta de nanotubos de carbono puro se extiende desde su centro de gravedad en la órbita geoestacionaria, lo que permite a los escaladores subir a GEO. Los problemas con esto incluyen el desafío material de crear una cinta de tal longitud (¡36.000 km!) con la resistencia adecuada, la gestión de colisiones con satélites y desechos espaciales y rayos.
MEO Skyhook: Como parte de un estudio de AFRL, Roger Lenard propuso un MEO Skyhook. Parece que se puede construir una correa estabilizada por gradiente de gravedad con su centro de masa en MEO con los materiales disponibles. La parte inferior del gancho celeste está cerca de la atmósfera en una "órbita no kepleriana". Un cohete reutilizable puede lanzarse para igualar la altitud y la velocidad con la parte inferior de la correa que se encuentra en una órbita no kepleriana (viajando mucho más lento que la velocidad orbital típica). La carga útil se transfiere y sube por el cable. Se evita que el cable en sí salga de órbita mediante propulsión eléctrica y/o efectos electromagnéticos.
Lanzamiento de MAGLEV / StarTram : John Powell tiene un concepto para un sistema de flujo másico muy alto. En un sistema de primera generación, construido en una montaña, se acelera una carga útil a través de una vía MAGLEV evacuada. Un pequeño cohete a bordo hace circular la carga útil. [138]
Lanzamiento de energía transmitida: Kevin Parkin y Escape Dynamics tienen conceptos [139] para la irradiación desde tierra de un vehículo de lanzamiento monopropulsor utilizando energía de RF. La energía de RF se absorbe y calienta directamente el propulsor, al igual que en la termonuclear estilo NERVA. LaserMotive tiene un concepto para un enfoque basado en láser.
En ficción
Las estaciones espaciales que transmiten energía solar han aparecido en obras de ciencia ficción como " Reason " (1941) de Isaac Asimov , que se centra en los problemas causados por los robots que operan la estación. El cuento de Asimov " La última pregunta " también presenta el uso de SBSP para proporcionar energía ilimitada para su uso en la Tierra.
La novela de Erc Kotani y John Maddox Roberts de 2000, El legado de Prometeo, plantea una carrera entre varios conglomerados para ser el primero en transmitir un gigavatio de energía desde un satélite solar en órbita geosincrónica.
En la novela PowerSat (2005) de Ben Bova , un empresario se esfuerza por demostrar que el satélite eléctrico y el avión espacial casi terminados de su empresa (un medio para llevar equipos de mantenimiento al satélite de manera eficiente) son seguros y económicamente viables, mientras que los terroristas con vínculos con el petróleo Las naciones productoras intentan descarrilar estos intentos mediante subterfugios y sabotajes. [140]
Varias empresas aeroespaciales también han mostrado imaginativos futuros satélites de energía solar en sus vídeos de visión corporativa, incluidas Boeing, [141] Lockheed Martin, [142] y United Launch Alliance. [143]
El satélite solar es uno de los tres medios para producir energía en el juego de navegador OGame . El juego de construcción de ciudades SimCity 2000 también cuenta con una central eléctrica de microondas.
En la serie de televisión animada de 1978 Future Boy Conan , SBSP permite al país de Industria desarrollar armas geomagnéticas, más poderosas que las armas nucleares , que destruyen continentes enteros.
Ver también
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la energía solar basada en el espacio .
Znamya : experimentos rusos con espejos orbitales en la década de 1990
Referencias
La Sociedad Espacial Nacional mantiene una extensa biblioteca sobre energía solar espacial Archivado el 14 de abril de 2018 en Wayback Machine con todos los documentos y estudios históricos importantes asociados con la energía solar espacial y artículos de noticias importantes Archivado el 29 de mayo de 2016 en Wayback Machine .
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¿Un renacimiento de la energía solar espacial? por Jeff Foust, lunes 13 de agosto de 2007 Informes sobre el renovado interés institucional en el SSP y la falta de ese interés en las últimas décadas.
"Estudio conceptual de un satélite de energía solar, SPS 2000" Makoto Nagatomo, Susumu Sasaki y Yoshihiro Naruo
Investigadores emiten energía solar 'espacial' en Hawái ( Wired Science)
¿El futuro de la Energía está bajo demanda? Sesión especial en el Festival delle Città Impresa 2010 con John Mankins (Artemis Innovation Management Solutions LLC, EE. UU.), Nobuyuki Kaya ( Universidad de Kobe , Japón), Sergio Garribba ( Ministerio de Desarrollo Económico , Italia), Lorenzo Fiori ( Grupo Finmeccanica , Italia) , Andrea Massa ( Universidad de Trento , Italia) y Vincenzo Gervasio (Consiglio Nazionale dell'Economia ed del Lavoro, Italia). Libro blanco: Historia de los desarrollos SPS Unión Internacional de Radiociencia 2007
Concurso internacional de diseño SunSat
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Vídeos
Energía solar desde el espacio Vídeo de 5 minutos sobre plantas de energía solar espaciales de la Agencia Espacial Europea
Powering the Planet Video en streaming de 20 minutos de The Futures Channel que ofrece información "101" sobre energía solar basada en el espacio.
Panel Space Solar Power NewSpace 2010, 72 minutos
Energía solar espacial y sistemas de energía espacial SSI – Fabricación espacial 14 paneles – 2010 – 27 min
DVD de la NASA en 16 partes que exploran nuevas fronteras para las necesidades energéticas del mañana
BBC One - Bang Goes the Theory, Serie 6, Episodio 5, Transmisión de energía sin cables BBC/Lighthouse DEV Demostración de transmisión de energía basada en láser seguro para los ojos
