Científicos envían energía solar desde el espacio a la Tierra por primera vez en el mundo : ScienceAlert

Sep 01, 2023

La energía solar es la forma de energía renovable de más rápido crecimiento y actualmente representa el 3,6 por ciento de la producción mundial de electricidad. Esto la convierte en la tercera fuente más grande del mercado de energías renovables, seguida por la energía hidroeléctrica y la eólica.

Se espera que estos tres métodos crezcan exponencialmente en las próximas décadas, alcanzando el 40 por ciento para 2035 y el 45 por ciento para 2050. En conjunto, se espera que las energías renovables representen el 90 por ciento del mercado energético para mediados de siglo, y que la energía solar represente aproximadamente la mitad.

Sin embargo, se deben superar varios desafíos y problemas técnicos para que se produzca esta transición.

El principal factor limitante para la energía solar es la intermitencia, lo que significa que solo puede recolectar energía cuando hay suficiente luz solar disponible. Para abordar esto, los científicos han pasado décadas investigando la energía solar basada en el espacio (SBSP), donde los satélites en órbita recolectarían energía las 24 horas del día, los 365 días del año, sin interrupción.

Para desarrollar la tecnología, los investigadores del Proyecto de Energía Solar Espacial (SSPP) en Caltech completaron recientemente la primera transferencia de energía inalámbrica exitosa utilizando el Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE).

MAPLE fue desarrollado por un equipo de Caltech dirigido por Ali Hajimiri, profesor Bren de ingeniería eléctrica e ingeniería médica y codirector de SSPP. MAPLE es una de las tres tecnologías clave probadas por el Demostrador de energía solar espacial (SSPD-1).

Esta plataforma consta de una matriz de transmisores de microondas livianos y flexibles controlados por chips electrónicos personalizados. El demostrador se construyó utilizando tecnologías de silicio de bajo costo diseñadas para recolectar energía solar y transmitirla a las estaciones receptoras deseadas en todo el mundo.

El SSPP comenzó en 2011 cuando Donald Bren, miembro vitalicio de la Junta Directiva de Caltech, se acercó al entonces presidente de Caltech, Jean-Lou Chameau, para hablar sobre la creación de un proyecto de investigación del SBSP.

Bren y su esposa (también fideicomisaria de Caltech) acordaron donar un total de $100 millones para financiar el proyecto, mientras que Northrop Grumman Corporation aportó $12,5 millones adicionales. El SSPD-1 se lanzó el 3 de enero sobre un SpaceX Falcon 9 como parte de un programa de viajes compartidos y fue desplegado por una nave espacial Vigoride (proporcionada por la compañía aeroespacial Momentus).

Para que SBSP sea factible, los satélites deben ser livianos para que puedan lanzarse de manera rentable y flexibles para que puedan caber dentro de los carenados de carga útil (similar al Telescopio espacial James Webb (JWST).

Harry Atwater, Presidente de Liderazgo Otis Booth de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales y Director de Liquid Sunlight Alliance, es uno de los principales investigadores del proyecto. Como explicó en un comunicado de prensa de Caltech:

"La demostración de la transferencia de energía inalámbrica en el espacio utilizando estructuras livianas es un paso importante hacia la energía solar espacial y un amplio acceso a ella a nivel mundial. Los paneles solares ya se usan en el espacio para alimentar la Estación Espacial Internacional, por ejemplo, pero para lanzar y desplegar matrices para proporcionar energía a la Tierra, SSPP tiene que diseñar y crear sistemas de transferencia de energía de energía solar que sean ultraligeros, baratos y flexibles".

Cada unidad SSPP pesa alrededor de 50 kilogramos (110 libras), comparable con los microsatélites que normalmente pesan entre 10 y 100 kg (22 a 220 libras). Cada unidad se pliega en paquetes de aproximadamente 1 m3 (35 ft3) de volumen y luego se despliega en un cuadrado plano que mide aproximadamente 50 m (164 ft) de diámetro, con células solares en un lado y transmisores de energía inalámbricos en el otro.

Los componentes del SPPD-1 no están sellados, lo que significa que están expuestos a las variaciones extremas de temperatura del espacio. Más allá de demostrar que los transmisores de energía pueden sobrevivir al ser lanzados al espacio, el experimento ha brindado información útil a los ingenieros del SSPP.

"A través de los experimentos que hemos realizado hasta ahora, recibimos la confirmación de que MAPLE puede transmitir energía con éxito a los receptores en el espacio", dijo Hajimiri.

"También pudimos programar la matriz para dirigir su energía hacia la Tierra, lo que detectamos aquí en Caltech. Por supuesto, la probamos en la Tierra, pero ahora sabemos que puede sobrevivir al viaje al espacio y operar allí. ."

El demostrador no tiene partes móviles y depende de la interferencia constructiva y destructiva entre las antenas de transmisión para cambiar el enfoque y la dirección de la energía emitida. Estas antenas están agrupadas en grupos de 16, cada una impulsada por un chip de circuito integrado flexible hecho a medida.

También se basan en elementos precisos de control de tiempo y la adición coherente de ondas electromagnéticas para garantizar que la energía emitida alcance el objetivo previsto. Dos conjuntos de receptores se colocan a unos 30 cm (1 pie) de las antenas de transmisión que convierten la energía solar en corriente continua (CC).

Esto se utiliza para alimentar un par de luces LED, lo que demuestra la secuencia completa de transmisión de energía inalámbrica. MAPLE lo demostró con éxito al encender cada LED individualmente y alternar entre ellos.

MAPLE también incluye una pequeña ventana a través de la cual la matriz puede emitir energía, que fue detectada por un receptor en el Laboratorio de Ingeniería Gordon y Betty Moore de Caltech. Esta señal se recibió en el momento y la frecuencia esperados y tuvo el cambio de frecuencia previsto en función de su órbita.

"Hasta donde sabemos, nadie ha demostrado nunca la transferencia de energía inalámbrica en el espacio, incluso con costosas estructuras rígidas", dijo Hajimiri. "Lo estamos haciendo con estructuras ligeras flexibles y con nuestros propios circuitos integrados. Esta es la primera vez".

El equipo ahora está evaluando el rendimiento de los elementos individuales del sistema probando los patrones de interferencia de grupos más pequeños y midiendo la diferencia entre combinaciones. Este proceso podría demorar hasta seis meses, lo que le da al equipo tiempo suficiente para detectar irregularidades y desarrollar soluciones para informar a la próxima generación de satélites solares.

Además de MAPLE, el SSPD-1 lleva a cabo otros dos experimentos principales. Estos son el Experimento compuesto ultraligero desplegable en órbita (DOLCE), una estructura de 1,8 x 1,8 metros (6 x 6 pies) diseñada para desplegar pequeñas naves espaciales modulares, y ALBA, una serie de 32 tipos diferentes de células fotovoltaicas para probar qué son más efectivos en el espacio.

Las pruebas de ALBA están en curso, mientras que DOLCE aún no se ha implementado, y se esperan los resultados de estos experimentos en los próximos meses. Mientras tanto, los resultados del experimento MAPLE son muy alentadores y demuestran que las tecnologías SBSP clave son factibles. Dijo Hajimiri:

"De la misma manera que Internet democratizó el acceso a la información, esperamos que la transferencia de energía inalámbrica democratice el acceso a la energía. No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía en el suelo para recibir esta energía. Eso significa que podemos enviar energía a regiones y áreas remotas". devastada por la guerra o un desastre natural".

SBSP tiene el potencial de producir ocho veces más energía que los paneles solares ubicados en la superficie de la Tierra. Cuando el proyecto esté completamente realizado, Caltech espera desplegar una constelación de naves espaciales modulares que recolectarán energía solar, la transformarán en electricidad y la convertirán en microondas que se pueden transmitir de forma inalámbrica a cualquier parte del mundo.

Además de ayudar en la transición hacia energía limpia y renovable, también tiene el potencial de expandir el acceso para comunidades desatendidas. Dijo el presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum:

"La transición a la energía renovable, fundamental para el futuro del mundo, está limitada hoy en día por los desafíos de almacenamiento y transmisión de energía. La transmisión de energía solar desde el espacio es una solución elegante que se ha acercado un paso más a la realización gracias a la generosidad y la previsión de los Bren. Donald Bren ha presentado un desafío técnico formidable que promete una recompensa notable para la humanidad: un mundo alimentado por energía renovable ininterrumpida".

Este artículo fue publicado originalmente por Universe Today. Lea el artículo original.