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

Cuando el inventor Charles Fritts creó las primeras células solares fotovoltaicas en bruto en la década de 1880, uno podría haber pensado que el logro revolucionaría rápidamente la producción mundial de electricidad. Después de todo, no existe una fuente de energía más barata, más limpia y más ubicua que la luz solar. Sin embargo, a pesar de los enormes (y continuos) avances técnicos que hacen que la energía solar sea cada vez más capaz y asequible, unos 140 años después todavía suministra menos del 5 por ciento de la electricidad mundial. A pesar de todos sus beneficios, la energía solar tiene inconvenientes que pueden limitar su uso, entre los que destaca el hecho de que la mitad de la superficie del planeta está a oscuras en un momento dado.

En 1968, el ingeniero aeroespacial estadounidense Peter Glaser detalló una posible solución a estos problemas que no solo estaba "fuera de la caja", sino que estaba completamente fuera de la atmósfera terrestre. En lugar de construir gigantescas granjas solares en vastas extensiones de tierra ecológicamente vulnerables, Glaser propuso poner en órbita la energía fotovoltaica en flotas de satélites de energía solar. En órbita, no atenuada por las nubes y libre de los ciclos planetarios del día y la noche, la luz del sol podría recolectarse con una eficiencia óptima y luego transmitirse como microondas a "antenas rectificadoras" (rectennas) basadas en tierra. De vuelta en la Tierra, las microondas se convertirían en electricidad y se canalizarían a las redes eléctricas de todo el mundo.

Sin embargo, en ese momento y durante décadas después, el costo de los lanzamientos espaciales era demasiado alto y el rendimiento de la energía fotovoltaica demasiado bajo para hacer realidad la brillante idea de Glaser. Pero ahora los avances tecnológicos, junto con la creciente necesidad de energía limpia, están revitalizando el concepto de energía solar basada en el espacio (SBSP), con proyectos piloto emergentes en los EE. UU., China, Europa y Japón. A medida que comienza una nueva ola de investigación, la pregunta persiste: ¿Estará listo el SBSP para su momento de gloria?

Inclinándose hacia el futuro

En los EE. UU., impulsada por el rápido crecimiento de la industria espacial y las terribles amenazas del cambio climático, la NASA está analizando de cerca las perspectivas actuales y futuras de SBSP. Nikolai Joseph, analista de políticas de la Oficina de Tecnología, Políticas y Estrategias (OTPS) de la NASA, es el autor principal de un próximo estudio de OTPS que analiza específicamente el enfoque. Dado el creciente interés mundial en las posibilidades transformadoras de SBSP, tiene sentido que OTPS realice un estudio ahora, dice.

“La energía solar basada en el espacio ha sido atractiva durante décadas, pero construir y lanzar naves espaciales que pudieran utilizarla se consideró prohibitivamente costoso”, dice Joseph. “Ahora, los desarrollos tecnológicos y el crecimiento de la industria espacial durante la última década pueden significar que eso está cambiando... Es importante revisar periódicamente las buenas ideas e investigar las opciones. La NASA necesita saber qué es posible, ya que el advenimiento de la energía solar basada en el espacio se cruzaría con muchos de nuestros otros intereses. La NASA debe seguir todos los aspectos de la tecnología espacial. Siempre deberíamos estar inclinados hacia el futuro”.

Para la NASA, ese futuro bien podría implicar el uso de SBSP más allá de la Tierra, apoyando el floreciente programa Artemis de exploración lunar tripulada de la agencia espacial. Por ejemplo, una capacidad SBSP alrededor de la luna podría ayudar a fortalecer los puestos de avanzada y otras actividades de exploración en la superficie lunar. De manera más ambiciosa, la energía emitida también podría usarse algún día para enviar naves espaciales a destinos interplanetarios e incluso interestelares sin el costoso problema de llevar propulsor a bordo.

¿Una panacea energética?

De vuelta en la Tierra, algunos consideran que SBSP es una forma ideal de lograr emisiones netas de gases de efecto invernadero cero y al mismo tiempo tener un suministro de energía constante, sostenible y abundante. A diferencia de la electricidad de la energía solar y eólica terrestres, las cuales son mucho más vulnerables a las interrupciones de las condiciones ambientales fluctuantes, el SBSP podría funcionar las 24 horas del día (ofreciendo la llamada energía de carga base) al tiempo que permite una distribución ágil y receptiva de electricidad a través y entre redes eléctricas (energía “dispachable”).

“Excepcionalmente, la energía solar basada en el espacio puede proporcionar tanto energía de carga base como despachable a escala de ciudad y, como tal, es una nueva tecnología de energía limpia realmente valiosa”, dice Martin Soltau, analista de Frazer-Nash Consultancy y copresidente de la UK's Iniciativa de Energía Espacial (SEI). “Una ventaja adicional es que la energía solar basada en el espacio no necesita la reingeniería de las redes eléctricas. Imaginamos el suelo [rectennas] estar ubicado cerca de las interconexiones de red existentes, potencialmente adyacentes a los parques eólicos marinos existentes”. El SEI es una asociación entre el gobierno, la industria y la academia que busca construir una flota SBSP para conectarse a la red eléctrica del Reino Unido en la década de 2040. Cada nave espacial en la flota teórica de SEI produciría tanta electricidad como una planta de energía alimentada con carbón o nuclear.

Sin embargo, para que algo de eso ocurra, se requieren rondas sólidas de pruebas en el espacio. Es por eso que, mucho antes del debut de una flota SBPS completa, SEI tiene la intención de lanzar primero un demostrador orbital para 2030.

"Probablemente, las dos tecnologías más importantes para probar y demostrar en el espacio desde el principio son el ensamblaje robótico autónomo de estas grandes estructuras y la transmisión de energía desde el espacio a la Tierra a niveles de potencia significativos", dice Soltau. “Hay muchos otros temas importantes que deberán abordarse, como el entorno regulatorio y la asignación de espectro”, agrega.

Pruebas de alta tecnología

SEI no está solo en la búsqueda de pruebas reales de hardware relacionado con SBSP. Múltiples proyectos para hacerlo están en marcha en todo el mundo.

La Academia China de Tecnología Espacial y la Universidad Xidian de China han erigido una gran estructura para demostrar nuevas tecnologías para concentrar la luz solar y para la transmisión inalámbrica de energía. Con el nombre en código Zhuri, o "Chasing the Sun", el proyecto utiliza una torre de acero de 75 metros de altura construida en el campus sur de la Universidad de Xidian. La nueva instalación está diseñada para probar y verificar la tecnología para el Orb-Shape Membrane Energy Gathering Array (OMEGA), un sistema concentrador para recolectar energía solar en órbita geoestacionaria.

Luego está la iniciativa SOLARIS de la Agencia Espacial Europea, una agenda propuesta de investigación y desarrollo de tres años para explorar el concepto SBSP y las tecnologías críticas. SOLARIS se propone para su aprobación en la reunión del Consejo de la ESA a nivel ministerial este noviembre. El 18 de octubre, la ESA celebró un "Día de la industria de SOLARIS" para afinar las tareas de investigación y desarrollo del SBSP que, si se respaldan, pueden llevarse a cabo en el período 2023-2025.

En Japón, los investigadores han estado estudiando tenazmente SBSP desde la década de 1980. Investigadores de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) han ideado un plan para desarrollar y probar formas novedosas de controlar haces de energía y ensamblar grandes estructuras en órbita. Idealmente, este trabajo conduciría a sistemas SBSP dentro de una década o dos. Más allá de las evaluaciones en papel, los investigadores japoneses de SBSP también han fabricado tecnología para aumentar la precisión de los rayos de energía láser y de microondas y están volando equipos relacionados con SBSP en cohetes suborbitales para recopilar datos técnicos.

De vuelta en los EE. UU., fuera de la NASA y sus intereses espaciales civiles, el Departamento de Defensa también está muy interesado en utilizar SBSP para impulsar operaciones militares en todo el mundo. El último esfuerzo allí, el proyecto de Demostraciones e Investigación Incrementales de Energía Solar Espacial (SSPIDR) del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., involucra contribuciones de la compañía aeroespacial Northrop Grumman, así como del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL). SPPIDR realizó recientemente la primera prueba de equipo en tierra para un experimento de vuelo en el espacio denominado Arachne. Se espera que se lance en 2025, una de las tareas de Arachne es demostrar la capacidad de formar y enfocar un haz de radiofrecuencia en la órbita terrestre baja. El objetivo de este trabajo es “proporcionar poder ininterrumpido, seguro y logísticamente ágil a las fuerzas expedicionarias”, según la Fuerza Aérea.

Mientras tanto, la NRL ha sido pionera en módulos especializados diseñados para aumentar la eficiencia de convertir la energía solar en microondas. Un aparato de prueba que los incorpora, llamado Módulo de antena de radiofrecuencia fotovoltaica, incluso pasó más de 900 días en el espacio a bordo del secreto avión espacial robótico X-37B de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Flujos y reflujos

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

“La objeción histórica a SBSP ha sido la economía, principalmente la cuestión del costo de lanzamiento”, dice Jaffe. “Creo que todavía no se sabe si tendrá sentido económico o no. Todavía hay mucho desarrollo de tecnología de red que debe suceder para llegar al nivel de resiliencia y suministro que queremos disfrutar”.

Las demostraciones de hardware SBSP en el espacio están justificadas y son sensatas, dice Jaffe, antes de cualquier compromiso para desarrollar sistemas completos. Tal prueba, señala, probablemente cueste cientos de millones de dólares, e incluso con tal financiación inicial asegurada, SBSP todavía requieren un apoyo político sostenido. Que alguna vez despegue depende tanto (si no más) de factores económicos y regulatorios como del desarrollo tecnológico.

“Al final del día, se reduce a hacer esto de una manera que sea competitiva en costos con las alternativas”, dice Jaffe.

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

En el pasado, los planes SBSP se han visto obstaculizados por tres obstáculos financieros interrelacionados: los altos costos de construir el hardware necesario, garantizar que el hardware sea adecuado para el entorno espacial y luego colocarlo en órbita. “Los tres se han hecho añicos”, dice Mankins, por los avances en robótica espacial, la capacidad de producir en masa componentes SBSP y la caída en picado del precio de lanzar hardware al espacio.

En conjunto, dice, este encabezado triple de tendencias positivas podría reducir drásticamente los costos de inversión iniciales en cientos de miles de millones de dólares, lo que llevaría a SBSP a una nueva era de viabilidad económica. Eso, dice Mankins, es una motivación más que suficiente para despertar el interés y el compromiso multinacional actual en SBSP.

Pronósticos sombríos

No todo el mundo tiene una visión tan soleada de las perspectivas de SBSP. Un crítico notable es Amory Lovins, experto en política energética y cofundador y presidente emérito de RMI (antes Rocky Mountain Institute), una organización sin fines de lucro que busca mejorar las prácticas energéticas del mundo. Es profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Stanford y académico en el Instituto de Energía Precourt de la universidad.

Lovins dice que los costos de lanzamiento "siguen siendo un obstáculo formidable" para SBSP a pesar de que el costo por kilogramo de elevar las cargas útiles a la órbita terrestre baja se redujo aproximadamente 20 veces (al comparar la curva de costo-rendimiento del transbordador espacial de la NASA con la que ofrece el transbordador espacial de la NASA). familia de propulsores Falcon de SpaceX).

También hay preocupaciones de seguridad, dice Lovins, recordando las preguntas que aún persisten desde el primer aumento en el entusiasmo por el SBSP a fines de la década de 1960. “Algunas personas en ese entonces se preguntaban si las armas de rayos de microondas desde el espacio eran parte de la agenda”, dice. "Ahora podemos estar más preocupados por agregar otra fuente de energía supercentralizada a una red de transmisión que ya es muy vulnerable y quebradiza".

Aunque SBSP sigue siendo conceptualmente atractivo, Lovins dice que otras tendencias en energía renovable plantean grandes desafíos para su viabilidad. Las energías renovables basadas en tierra se han vuelto rápidamente radicalmente más baratas, y tanto la eólica como la solar ofrecen tarifas mayoristas de tres centavos o menos por kilovatio-hora de energía. Y la integración de estas fuentes "terrestres" a las redes preexistentes de manera que aseguren un suministro de energía "firme" agrega poco costo, dice. Esto lleva a Lovins a concluir que el beneficio tan promocionado de SBSP, su disponibilidad efectivamente constante independientemente de los días y las noches terrenales, es solo un pequeño beneficio. En tales circunstancias, dice, ir al espacio para superar el costo de ganga por kilovatio-hora de las energías renovables terrestres sigue siendo extremadamente difícil, si no imposible.

“En resumen, creo que una celda fotovoltaica entregará energía más barata desde su techo, probablemente incluso en Seattle, que desde el espacio”, dice Lovins. “No soy un experto espacial, pero no me resulta obvio que esta desventaja básica de SBSP vaya a cambiar. viento terrestre y [the] Las celdas fotovoltaicas están preparadas para reducir su costo entre dos y tres veces más, lo que hace que su energía sea casi gratuita”.

¿Por qué tomarse tantas molestias y gastos reuniendo la luz del sol más allá de la atmósfera de la Tierra, pregunta Lovins, "cuando ya se distribuye gratis, cayendo, como la lluvia, sobre justos e injustos por igual?"

Al igual que el propio SBSP, encontrar una respuesta definitiva a esa pregunta filosófica sigue siendo un trabajo en curso.