Enerxía solar espacial

El Sol allumando la Tierra.

La enerxía solar espacial (n'inglés Space-based solar power, SSP), términu estrechamente rellacionáu con satélite d'enerxía solar (n'inglés Solar Power Satellite), ye la conversión d'enerxía solar adquirida nel espaciu en cualesquier otru tipu d'enerxía (principalmente lletricidá), que puede usase n'el mesmu espaciu o bien puede tresmitise a la Tierra. Dende mediaos del sieglu XX vienen usándose paneles fotovoltaicos nel espaciu a bordu de satélites espaciales pa producir la lletricidá necesaria pal so funcionamientu a partir de la lluz solar. La novedá del conceutu de SSP mora na idea d'adquirir enerxía a gran escala nel espaciu y tresmitila a la Tierra de forma inalámbrica pal so consumu sobre la superficie del planeta.

La enerxía solar ye una fonte d'enerxía anovable y perenal y por ello tien el potencial de resolver los problemes socioeconómicos y ambientales acomuñaos cola dependencia de los recursos fósiles y de la enerxía nuclear. La enerxía solar espacial presenta pros y contras al respective de otres fontes enerxétiques, cuantimás al respective de la so variante terrestre. L'aprovechamientu de los paneles nel espaciu ye enforma mayor que'l de los paneles terrestres, al nun trate afeutaos pola atenuación de la radiación solar na atmósfera terrestre nin poles fases nocherniegues, magar la enerxía tien de tresmitise a llargues distancies coles correspondientes perdes enerxétiques. Per otru llau, la enerxía solar espacial tendría la ventaya de tar allugada fora del sistema ecolóxicu terrestre, nun xenerando práuticamente nengún refugaya una vegada en funcionamientu.

Los mayores frenos al desenvolvimientu de los sistemes de SSP son l'altu costu de la puesta en órbita de los paneles y ciertes torgues téuniques, especialmente la baxa eficiencia de les célules fotovoltaiques cuando trabayen a alta temperatura y la difícil tresmisión de la enerxía a la superficie de la Tierra. Desque a finales del sieglu XIX sentáronse les bases teóriques de la teunoloxía fotovoltaica, el desenvolvimientu de toles teunoloxíes arreyaes foi bultable. Na primer década del sieglu XXI, equipos d'investigadores europeos, estauxunidenses y xaponeses siguen trabayando pa faer esta teunoloxía posible dalgún día.

Pa la SSP propunxéronse delles aplicaciones posibles según diverses opciones teunolóxiques, como por casu el tipu de satélite o la frecuencia d'emisión de la enerxía a la Tierra. Igualmente, incógnites como los posibles efeutos medioambientales de la tresmisión d'enerxía a la Tierra, la esperanza de vida de los paneles nel espaciu, el tiempu de torna enerxética o'l papel que podría xugar la Lluna siguen ensin una respuesta clara.

Evolución histórica

Nacencia de la enerxía solar fotovoltaica

Los estudios realizaos nel sieglu XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuercies llétriques y ondes electromagnétiques, y sobremanera los d'Albert Einstein en 1905, apurrieron la base teórica al efeutu fotoeléctricu, que ye'l fundamentu de la conversión d'enerxía solar a lletricidá.

Esti efeutu fuera reconocíu empíricamente per primer vegada en 1839 pol físicu francés Alexandre-Edmond Becquerel, pero nun sería hasta 1883 cuando Charles Fritts construyera la primer célula solar, anubriendo una muestra de seleniu semiconductor con un pan d'oru pa formar l'empalme. Esti primitivu dispositivu presentaba una eficiencia de namái un 1%.

La era moderna de la teunoloxía fotovoltaica nun llegó hasta l'añu 1954 cuando los Llaboratorios Bell afayaron, de manera accidental, que los semiconductores de siliciu dopado con ciertes impureces yeren bien sensibles a la lluz. La producción industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos empezó na década de los 80.

Primer metá del sieglu XX: L'aventura espacial en teoría

En 1903 Konstantin Tsiolkovsky publica “La esploración del espaciu cósmicu por aciu dispositivos de reaición” (del rusu: Исследование мировых пространств реактивными приборами), lo que podría considerase como'l primer tratáu académicu sobre cohetes. Tsiolkovsky llegó a la conclusión de que p'algamar la velocidá d'escape de la Tierra sería necesariu un cohete multifase (con dellos módulos de propulsión) con combustible d'osíxenu y hidróxenu líquido. Considérase-y el creador de los vuelos espaciales tripulaos y el primeru en concebir el ascensor espacial. Publicó 500 trabayos sobre viaxes espaciales y temes rellacionaes. Ente esos trabayos atopen diseños de cohetes con rotores direutores, estaciones espaciales y cabines despresurizadas.

En 1928 Herman Potočnik publicó'l so únicu trabayu “El problema del viaxe espacial – El motor cohete” (del inglés The Problem of Space Travel - The Rocket Motor), nel que describió una fueya de ruta pa llograr una gran meyora na carrera espacial. Concibió una estación espacial al detalle y calculó la so órbita geoestacionaria. En 1945 Arthur C. Clarke publicó l'artículu “Mundu inalámbricu” (del inglés Wireless World) nel que concibió la posibilidá del usu de satélites de comunicaciones a gran escala, destacando'l so potencial en materia de comunicaciones. Tamién suxurió que tres satélites bastaríen pa cubrir tol globu terrestre.

Usu de la enerxía solar nel espaciu

La primer aplicación importante de célules solares nel espaciu foi la fonte auxiliar enerxética del satélite estauxunidense Vanguard I, llanzáu al espaciu en 1958 (anguaño'l satélite más antiguu entá n'órbita), que-y dexó siguir tresmitiendo mientres siete años ente que les bateríes químiques escosar en solu 20 díes. Dende final de los años 60 la enerxía solar consolidóse como fonte pal suministru enerxéticu propiu de los satélites.

La carrera espacial

Artículu principal: Carrera espacial

Maqueta del Sputnik 1.

La carrera espacial tuvo llugar mientres la guerra fría ente la Xunión Soviética y los Estaos Xuníos d'América, y empecipióse col llanzamientu del Sputnik 1 per parte de los soviéticos en 1957. La década de los años 60 y parte de los 70 viose marcada polos continuos finxu na aventura espacial, que supunxeron non yá un potencial pa la industria armamentística, sinón tamién una arma propagandística. El llanzamientu del Sputnik 1 tuvo la so continuidá col llanzamientu de seres vivos. La perra Laika, a bordu de la nave soviética Sputnik 2 en 1957, foi'l primer animal célebre n'órbita. Pero nun sería hasta 1960 cuando los soviéticos consiguieren per primer vegada tornar a los animales con ésitu de vuelta a la Tierra. Poco más tarde en 1961 Yuri Gagarin convertir nel primer cosmonauta llanzáu n'órbita. Pero'l llogru más importante na historia de l'aventura espacial consiguir los estauxunidenses col allunizaxe de la nave Apollo 11 encabezada por Neil Armstrong en 1969, que se convirtió asina nel primer humanu en triar suelu estraterrestre.

Nacencia del conceutu d'Enerxía solar espacial

En 1968 l'estauxunidense Peter Glaser introdució'l conceutu d'un gran sistema de satélites receptores d'enerxía solar na órbita geosíncrona (asitiada a 36.000 km del ecuador) pa l'adquisición y conversión d'enerxía proveniente del Sol y la so tresmisión posterior a grandes antenes receptores asitiaes na Tierra pa satisfaer el consumu enerxéticu. Asina nació'l conceutu d'enerxía solar espacial.

Na década de 1970, tres la primera crisis del petroleu, el Departamentu d'Enerxía de los Estaos Xuníos y la NASA (axencia espacial d'este mesmu país) empecipiaron l'estudiu del conceutu d'enerxía solar nel espaciu. En 1979 propunxeron una flota de satélites n'órbita geoestacionaria, cada unu de los cualos midiría 5 x 10 km y produciría ente 5 y 10 GW. La construcción implicaba la creación d'una gran factoría espacial onde trabayaríen de cutio cientos d'astronautes. Esti gigantismo yera típicu d'una dómina na que se proyeutaba la creación de grandes ciudaes espaciales. Amás de les dificultaes téuniques, la propuesta foi refugada en 1981 por implicar un costu esbarriáu. A mediaos de los 80, col petroleu de nuevu en precios baxos, el programa completu d'enerxía solar espacial foi canceláu.

A finales de la década de 1980 empezaron en Xapón les actividaes d'investigación sobre enerxía solar espacial. Destacó en particular el programa "SPS 2000".

Ente 1995 y 1997 la NASA llanzó un nuevu estudiu sobre la enerxía solar espacial y la teunoloxía necesaria pa la so implementación, atopando que munches de les teunoloxíes implicaes esperimentaren grandes meyores dende la década anterior. Propunxéronse nuevos conceutos de satélites de capacidá más amenorgada como la "Torre Solar" (100 a 400 MW) o de diseñu modular como'l "Discu Solar". En 1998 realizó otru estudiu pa definir el conceutu d'enerxía solar espacial identificando tantu los conceutos económicamente vidables como los posibles riesgos.

En 1999 la NASA llanzó'l so “Programa exploratorio d'investigación y teunoloxía sobre enerxía solar espacial” (del inglés Space Solar Power Exploratory Research and Technology program, SERT) colos oxetivos de crear diseños para determinaos conceutos d'ensayu de vuelu, evaluar la viabilidá téunica, el diseñu y los requisitos necesarios, crear diseños conceptuales de subsistemes que fadríen usu d'esta teunoloxía pa la meyora de futures aplicaciones terrestres y espaciales, crear un plan preliminar d'aición pa los EE. UU. (y socios internacionales) p'acometer una iniciativa teunolóxica ambiciosa y crear fueyes de ruta pal desenvolvimientu teunolóxicu según esperimentos sobre componentes críticos de la enerxía solar espacial.

Dalgunes de les conclusiones del SERT fueron que la demanda global d'enerxía siguiría creciendo mientres décades dando llugar a la construcción de numberoses centrales llétriques. El impautu medioambiental d'eses futures centrales, según el so impautu nel suministru mundial d'enerxía y les rellaciones xeopolítiques, pue ser problemáticu ente que les enerxíes anovables son una alternativa convincente dende'l puntu de vista éticu y teunolóxicu. Sicasí, munches fontes d'enerxía anovables vense llindaes nel so potencial porque precisen de recursos como'l vientu, l'agua o'l terrén. L'estudiu de viabilidá del conceutu d'enerxía solar espacial concluyó que se trata d'una opción a considerar porque tien ventayes medioambientales en comparanza con otres soluciones alternatives y les inversiones necesaries nun representen el costu incalculable que podría imaxinase a priori. Según l'estudiu, la viabilidá económica de los sistemes d'enerxía solar espacial va depender del desenvolvimientu de nueves teunoloxíes, especialmente de la posibilidá d'aportar al espaciu a un costu amenorgáu.

Actividaes na primer década del sieglu XXI

Paneles solares de la Estación Espacial Internacional. Concebíos décades antes de la so puesta n'órbita, tienen un rendimiento del 14% ente que na primer década del sieglu XXI esisten paneles con un 30% de rendimientu.

Les meyores teunolóxiques recién contribuyeron a faer más facedera la enerxía solar espacial. Por casu, la eficiencia de les célules fotovoltaiques aumentó significativamente y produciéronse meyores na tresmisión de microondes. Sicasí dalgunes de les teunoloxíes necesaries nun tán entá madures y entá tamos lloñe del equilibriu económicu ente'l beneficiu y los costos.

La Estación Espacial Internacional (ISS, del inglés International Space Station), podría ser el primer campu de pruebes pa esti conceutu, a pesar d'atopase asitiada nuna órbita baxa terrestre. ^{[ensin referencies]}

Estaos Xuníos

Los EE. UU. fueron los pioneros n'enerxía solar espacial y gastaron unos 80 millones de dólares nel so estudiu. A finales de la primer década del sieglu XXI nun esiste nengún programa públicu dedicáu a esta tema, quiciabes porque la SSP atopar na frontera ente'l campu del espaciu (responsabilidá de la NASA) y el de la enerxía (responsabilidá del Departamentu d'Enerxía).

N'ochobre de 2007 la Oficina Nacional de Seguridá Espacial” (National Security Space Office), una axencia del Departamentu de Defensa, publicó un nuevu estudiu xeneral sobre la SSP, emprestando atención a aspeutos ensin considerar enantes como por casu les posibles aplicaciones militares de la teunoloxía. Les fuercies armaes estauxunidenses paguen la so lletricidá en zona de guerra a un preciu bien alto (1 dólar/kWh en 2007), enforma mayor que'l costu normal de la lletricidá en EE. UU. Por ello podríen representar un primer mercáu pa la SSP.

Europa

L'Axencia Espacial Europea (ESA) tamién tuvo estudiando'l conceutu de SSP nos últimos años, en parte en collaboración con Xapón. La fase inicial, l'estudiu de viabilidá de distintes soluciones, concluyó en 2004. La segunda fase empezó en 2006 y entiende la identificación d'árees teunolóxiques que riquen meyores por que'l conceutu de SSP seya posible, según el so prioritización.

Xapón

La JAXA, axencia espacial xaponesa, afitóse l'oxetivu de poner n'órbita un satélite SSP de 1 GW antes de 2030. Los científicos xaponeses tán investigando principalmente la tresmisión inalámbrica d'enerxía, tantu por microondes como por láser.

Enerxía solar terrestre vs. Enerxía solar estraterrestre

A la izquierda, al travesar l'atmósfera los rayos solares pierden enerxía por cuenta de l'absorción (motivada pola dispersión) y la reflexón. A la derecha, los sistemes d'enerxía solar espacial prinden enerxía solar fuera de l'atmósfera, aprovechando 100% d'ésta pa depués tresmitila a la Tierra.

Enerxía solar terrestre

Les formaciones nubosas afecten la eficiencia de los paneles terrestres.

La enerxía solar (solazu total global) que llega a la superficie de la tierra consiste en lluz direuto y difusa. Cuando la radiación solar algama l'atmósfera, el 6% ye reflectado y el 16% absorbíu. Les diverses condiciones atmosfériques (nubes, polución, polvu, etc.) amenorguen la radiación solar nun 20% adicional por cuenta de la reflexón y un 3% adicional por absorción. Estes condiciones atmosfériques non solo amenorguen la cantidá d'enerxía que llega a la Tierra sinón que tamién faen difusa aproximao'l 20% de la lluz y peneren porciones de la so espectru electromagnéticu. En cruciando l'atmósfera, aproximao la metá de la radiación solar atopar nel espectru electromagnéticu visible ente que la otra metá atopar nel espectru infrarroxu (una pequeña porción ye radiación ultravioleta). Por cuenta de los efeutos atmosféricos mentaos solo ente un 10% y un 13% del total de la enerxía que llega a la Tierra puede aprovechase. En datos absolutos esto supón aproximao 0,1-0,2 kW/m².

Ventayes y desventaxes de la enerxía solar terrestre frente a otres fontes enerxétiques terrestres

La enerxía solar presenta una serie de ventayes y desventaxes frente a otres fontes enerxétiques que s'esploten na Tierra. Les ventayes principales son que nun emite gases contaminantes a l'atmósfera (salvu mientres la so fabricación, tresporte ya instalación); ye una fonte enerxética perenal a diferencia de los combustibles fósiles; puede adquirise en cuasi cualesquier parte del planeta ensin necesidá de conexones a otres redes enerxétiques, dexando asina la creación de islles enerxétiques y realiza una contribución despreciable a la contaminación acústica a diferencia, por casu, de los aeroxeneradores. Per otru llau, les principales desventaxes d'esta teunoloxía con al respective de otres son que'l costu d'inversión inicial ye eleváu; namái ye posible adquirir enerxía mientres les hores de lluz y el so rendimientu vese amenorgáu poles condiciones meteorolóxiques o pola polución esistente.

Ventayes y desventaxes de la enerxía solar terrestre frente a la enerxía solar estraterrestre

La enerxía solar estraterrestre ye aquella que s'adquier fora de l'atmósfera de la Tierra. Gracies a l'ausencia de gases atmosféricos o formaciones de nubes, nel espaciu cercanu a la tierra la radiación solar ye un 35% superior a la qu'algama la superficie terrestre. Amás, escoyendo la órbita fayadiza puede consiguise lluz solar aproximao'l 96% del tiempu. Por ello un panel fotovoltaico nuna órbita terrestre geoestacionaria (a una altitú de 36.000 km) recibiría una media d'ocho veces más lluz que na superficie de la Tierra, ya inclusive mayor a midida que el llugar d'adquisición averar al Sol (magar los problemes de caltenimientu son tamién mayores pola medría de la radiación solar). Una ventaya adicional ye'l fechu de que nel espaciu nun esisten problemes de pesu o d'escomiu atmosférica.

Per otru llau, la gran desventaxa a día de güei (2008) ye'l so eleváu costu, tal que se detalla más embaxo. Otra desventaxa ye'l fechu de que la tresmisión de la enerxía pa consumu na superficie de la Tierra aniciaría unes perdes enerxétiques de siquier 40-50%, colo cual la cantidá d'enerxía solar recuperada efeutivamente sería solo ente 3 y 4 vegaes cimera a l'adquirida na Tierra.

Teunoloxíes arreyaes

Los sistemes pa l'adquisición d'enerxía solar espacial han de tar asitiaos a una distancia de la Tierra cimera a la órbita baxa terrestre una y bones les órbites más cercanes son impracticables por cuenta de la fuercia d'atraición de la Tierra. La teunoloxía fotovoltaica podría emplegase pa la conversión enerxética y les microondes o'l láser pa la tresmisión inalámbrica dende l'espaciu. Na primer década del sieglu XXI tamién s'investiga sistemes termodinámicos d'enerxía solar. Los sistemes de conversión y tresmisión de la enerxía solar podríen asitiase en satélites n'órbites geosíncronas y heliosíncronas (órbites siempres encarando al Sol), sondes espaciales, la Lluna o otros planetes.

Desarrollu de la teunoloxía fotovoltaica

Artículu principal: Panel fotovoltaico

Una célula fotoeléctrica ye un dispositivu electrónicu que dexa tresformar la enerxía llumínica (fotones) n'enerxía llétrica (electrones) por aciu l'efeutu fotoeléctricu. Les célules fotoeléctriques arrexuntar en paneles fotovoltaicos qu'inclúin amás circuitos pa sacupar la lletricidá producida. Davezu asumir que na SSP la conversión de la enerxía solar n'lletricidá realizar por aciu paneles fotovoltaicos.

L'esfuerciu d'investigación que se vien llevando a cabu nesta disciplina resultó nun aumentu continuu de la eficiencia al empar que s'amenorgaben significativamente los costos.

Anguaño la teunoloxía más estendida ye la que se conoz como de primer xeneración, que ye una gran superficie de cristal simple con unión diodu p-n, capaz de xenerar enerxía llétrica a partir de fontes de lluz con llonxitúes d'onda similares a les que lleguen a la superficie de la Tierra provenientes del Sol.

La segunda xeneración constituyir les llamaes célules de película delgada. Tán basaes nel usu de finos depósitos epitaxia-yos de semiconductores sobre oblees en forma de malla diagonal. Hai dos tipos de de célules fotovoltaiques, espaciales y terrestres. Les espaciales cunten de normal con una mayor eficiencia AM0 (Air Mass Zero) (28-30%), pero tamién mayores costos per vatiu. Les terrestres, per otru llau, fabricar con menores costos, pero tamién son menos eficientes (7-9% d'eficiencia AM0). Nel añu 2008 había distintos materiales con esta teunoloxía en producción o so investigación, ej. siliciu amorfo (a-Si), diseleniuro de cobre ya indiu (CuInSe2), telururo de cadmiu (CdTe), siliciu policristalino y siliciu microcristalino. Una de les ventayes de la teunoloxía ultrafina ye la so teorético pesu, que sería amenorgáu, dexando'l so allugamientu sobre materiales flexibles o llixeros, inclusive sobre testiles. Esta segunda xeneración de célules fotovoltaiques entiende un pequeñu segmentu del mercáu terrestre, pero aproximao'l 90% del espacial. El restu del mercáu son célules de la primer xeneración.

Na primer década del sieglu XXI trabayar nuna tercera ya inclusive una cuarta xeneración de célules. Les de tercer xeneración son bien distintes de los dispositivos semiconductores de les xeneraciones anteriores, yá que realmente nun presenten la tradicional unión p-n pa dixebrar el portadores de carga fotogenerados. P'aplicaciones espaciales, tán estudiándose dispositivos de buecos cuánticos y dispositivos qu'incorporen nanotubos de carbonu, con un potencial de más del 45% d'eficiencia AM0. P'aplicaciones terrestres, atopar en fase d'investigación dispositivo qu'inclúin célules fotoelectroquímiques, célules solares de polímeros, célules solares de nanocristales y célules solares de tintes sensibilizaes.

Una hipotética cuarta xeneración de célules solares consistiría nuna teunoloxía fotovoltaica compuesta nes que s'entemecen, conxuntamente, nanopartículas con polímeros pa fabricar una capa simple multiespectral. Darréu, delles capes delgaes multiespectrales podríense apilar pa fabricar les célules solares multiespectrales definitives, amenorgando asina costos y aumentando la eficiencia. La primer capa ye la que convierte los distintos tipos de lluz, la segunda ye pa la conversión d'enerxía y la postrera ye una capa pal espectru infrarroxu. D'esta manera conviértese daqué del calor en enerxía aprovechable. La resultancia ye una escelente célula solar compuesta.

La investigación de base pa esta cuarta xeneración ta supervisándose y dirixendo per parte de l'Axencia pa los Proyeutos d'Investigación Avanzada pa la Defensa, ye la organización central pa la investigación y desenvolvimientu del Departamentu de Defensa (DoD) de EE. UU. (Defense Advanced Research Projects Agency) coles mires de determinar si esta teunoloxía ye vidable o non.

Teunoloxía fotovoltaica nel espaciu

Célula solar.

Les célules fotovoltaiques utilizaes nel espaciu han de cumplir con carauterístiques distintes de les de les célules utilizaes hasta agora na Tierra, polo que suelen tener un costu mayor. Por cuenta de los altos costos de tresporte al espaciu, un factor bien importante ye la enerxía específica (esto ye, la enerxía xenerada estremada pola unidá de masa).

Efeutu fotoeléctricu: Los fotones incidentes son absorbíos polos electrones del mediu dotándo-yos d'enerxía abonda pa escapar d'ésti.

La masa total del sistema de xeneración llétrica ye un aspeutu importante. Nos sistemes de la primer década del sieglu XXI el pesu del sustratu fotovoltaico ye solo un cuartu del total ente que la estructura del panel y los sistemes de control y distribución representen los restantes trés cuartos (escluyendo'l almacenamientu d'enerxía). Esta razón de trés cuartos aumenta si inclúyese'l sistema de conversión y tresmisión d'enerxía llétrica en microondes.

Les célules "ultrafinas" son bien flexibles y por ello más fayadices pa la construcción de paneles flexibles o semiflexibles capaces de desenrollarse o enchese. D'esta forma consígense importantes amenorgamientos de volume y pesu. Na década de 1980 dedicóse enforma esfuerciu al desenvolvimientu y comercialización de célules fotovoltaiques ultrafinas pa usu terrestre. La idea d'esti conceutu ye depositar llámines fines de material fotovoltaico sobre un sustratu. Esti métodu produz célules con un rendimientu de conversión menor pero, gracies a la baxa cantidá de material activo usáu, cuenta con una enerxía llétrica específica más alta.

Amás d'una masa amenorgada, espérase que les célules fotovoltaiques ultrafinas tengan un costu sensiblemente menor, gracies a l'amenorgada cantidá de material necesario y a que los costos d'ellaboración son menores. L'usu d'una capa de material ultrafino fotovoltaico depositáu nun sustratu flexible ye por ello una opción a tener en cuenta.

Otra alternativa ye l'usu d'un sistema concentrador qu'enfoque la lluz en pequeñes célules solares d'alta eficiencia. Esta alternativa ensayóse nel espaciu pero solu a pequeña escala. Usando concentradores llegóse a cifres d'eficiencia en redol al 30% del potencial total d'adquisición. Esta solución nun ye sicasí afecha pa planetes como Marte yá que nellos la mayor parte de la lluz solar ye difusa y el sistema concentrador solo puede enfocar el componente direutu de la radiación solar.

Tresmisión d'enerxía

Pa tresmitir la lletricidá captada pol satélite a la Tierra, tresformaríase la enerxía nuna radiación electromagnético d'una llonxitú d'onda afecha pa nun ser absorbida pola atmósfera terrestre. Los dos tipos de radiaciones consideraos hasta agora son les microondes y el láser. Los ensayos de radiación d'enerxía a gran escala paecen imprescindibles pal desenvolvimientu de la enerxía solar espacial y esta teunoloxía foi identificada como unu de los grandes retos pa la industrialización del espaciu. Un aspeutu clave a la de tresmitir enerxía a gran distancia son les considerables perdes enerxétiques, tantu por absorción de la redolada en forma de calor, según por dispersión a lo llargo de la trayeutoria.

Microondes

William C. Brown demostró en 1964 na televisión d'Estaos Xuníos, cómo un helicópteru ensin enerxía propia caltener en vuelu gracies a la enerxía que-y yera tresmitida por microondes. Ente 1969 y 1975 Bill Brown foi'l direutor téunicu d'un proyeutu que llegó a radiar 30 kW al traviés d'una distancia de daqué más de 1,5 km con una eficiencia del 84%.

En 1973 l'estauxunidense Peter Glaser consiguió una patente pol so métodu pa la tresmisión d'enerxía a llarga distancia (ej. dende l'espaciu) usando microondes dende un satélite con una antena d'un diámetru envaloráu de 1 km escontra una antena de tamañu enforma mayor asitiada na superficie de la Tierra a la que se denomina rectenna, abreviatura n'inglés d'antena rectificadora (usada precisamente pa la conversión direuta de microondes n'lletricidá).

Los riesgos medioambientales acomuñaos a la tresmisión d'enerxía por microondes son una tema revesosa. Ye inxustificáu pensar que lo que s'interponga nel camín d'una radiación va ser encenráu, pos microondes similares viniéronse utilizando de forma global por compañíes de telecomunicaciones. Na superficie de la Tierra la intensidá máxima de tales radiaciones de microondes podría llegar a un máximu nel centru de 23 mW/cm², que ye menos que la cuarta parte de la constante d'irradiación solar. Sicasí, los partidarios de la SSP reconocen que se precisen entá estudios p'asegurase de que'l fexe de microondes nun estropie la flora y la fauna de la zona alredor de la rectenna nin interfiera colos preseos de navegación de los aviones que, por error, cruciar nel so camín.

Láser

Unu investigadores de la NASA trabayaron na década de 1980 cola posibilidá d'usar láseres pa la radiación d'enerxía ente dos puntos del espaciu, concentrándose nel desenvolvimientu de láseres basaos n'enerxía solar. En 1989 suxurióse que la radiación d'enerxía de la Tierra al espaciu tamién sería d'utilidá. En 1991 empecipióse'l proyeutu SELENE (del inglés SpacE Laser ENErgy, “Energía Láser Espacial”), qu'entendía, ente otres coses, un estudiu de radiación d'enerxía por láser a una base llunar.

En 1988 Grant Logan propunxo l'usu d'un láser asitiáu na Tierra p'aprovir d'enerxía a un rotor direutor pa la propulsión espacial, aproviendo una serie de detalles téunicos en 1989. Pero la so propuesta foi daqué optimista no referente a la teunoloxía yá que propunxo l'usu de célules solares de diamante operando a 300°C pa convertir la lluz láser ultravioleta, una teunoloxía qu'entá nun pudo ser demostrada en llaboratoriu, y a una llonxitú d'onda que tendría problemes pa travesar l'atmósfera. El proyeutu SELENE siguió trabayando sobre esti conceutu pero con una teunoloxía más cercana a la práctica, hasta que foi atayáu de forma oficial en 1993 tres dos años d'investigación ensin cumplir cola meta de realizar ensayos nel espaciu, por cuenta de los elevaos costos de implementación.

Satélites d'enerxía solar

Dende la nacencia del conceutu de SSP propunxéronse diversos diseños de satélites p'agospiar n'órbita los módulos fotovoltaicos y l'antena emisora.

NASA 1979

El primer estudiu importante de la NASA sobre la enerxía solar espacial (1976-1980) condució a la formulación del denomináu "Sistema SPS de Referencia 1979". Consistía nuna gran estructura paralelepipédica de 5 x 10 x 0,5 km sobre la que s'asitiaríen paneles fotovoltaicos. Na so parte inferior allugaríase l'antena emisora, de 1 km de diámetru, que radiaría unos 5 GW d'enerxía escontra la Tierra.

L'estudiu proponía la instalación en órbita geoestacionaria de 60 satélites d'ente 5 y 10 GW cada unu. Pa ello sería necesaria la construcción d'una factoría espacial nuna órbita de baxa altitú na que se ensamblarían módulos prefabricaos llanzaos dende tierra.

Sun Tower

Representación artística d'una "Torre solar".

El conceutu de Sun Tower ("Torre solar") foi propuestu en 1997 pola NASA. Consiste nuna estructura llinial d'unos 15 km de llargor a la que s'engabitar pareyes de módulos fotovoltaicos de 1 MW cada unu. Nel estremu inferior de la estructura, qu'apunta a la Tierra, asítiase l'antena emisora, d'unos 250 m de diámetru. La potencia total radiada pol sistema rondaría los 250 MW a una frecuencia de 5,8 GHz.

La propuesta prevía una constelación de torres solares que s'allugaríen nuna órbita heliosíncrona cercana a la Tierra (non geosíncrona). Diríen radiando la enerxía a una rede d'antenes receptores partíes sobre la superficie del planeta, caúna d'unos 4 km de diámetru.

Sail Tower

El centru d'investigación alemán DLR escurrió en 1999 pa la ESA (Axencia Espacial Europea) un satélite SSP llamáu Sail Tower ("Torre de veles") y que se paez abondo al Sun Tower estauxunidense. Consistía nuna estructura llinial de 15 km de llongura na que s'engabitar 60 pares de "veles", en realidad paneles solares de película delgada, de forma cuadrada y 150 m de llau. El satélite asítiase en órbita geoestacionaria y captaría unos 450 MW, que seríen radiaos a la Tierra por una antena de 1 km de diámetru. La rectenna correspondiente tendría 10 km de diámetru.

Solar Disk

Esti conceutu, tamién escurríu pola NASA en 1997, consiste nun discu planu cubiertu de módulos fotovoltaicos que rota sobre sí mesmu a razón d'una vuelta per hora. El centru del discu recibe tola lletricidá xenerada y ta conectáu por aciu dos estructures simétriques a una antena emisora qu'apunta a la Tierra. L'antena xira tamién sobre sí mesma a una vuelta per día nuna exa perpendicular a la exa de xiru del discu.

La estructura del discu sería modular, de tal manera que'l sistema pudiera empezar con un tamañu y una capacidá de xeneración modestos pa dir creciendo hasta unos 6 km de diámetru y xenerar unos 8 GW. El satélite asítiase en órbita geoestacionaria y precisaría una sola estación receptora de tamién unos 6 km de diámetru. La NASA envaloró que'l costu d'un Discu Solar sería unes cinco veces inferior al del diseñu de 1979, pa la mesma potencia xenerada.

Sandwich Satellite

El Sandwich Satellite ("Satélite Bocáu") de SSP se estructuraría en trés partes: 1) un gran sistema d'espeyos que capta la lluz solar y rediríxelo escontra una plataforma; 2) un conxuntu de paneles fotovoltaicos allugaos sobre'l llau allumáu de la plataforma y 3) una antena emisora asitiada nel llau en solombra de la plataforma.

La ventaya d'esti sistema mora en que la lletricidá xenerada tendría que percorrer una distancia bien curtia, de pocos centímetros, ente les célules fotovoltaiques y l'antena emisora, lo cual ameyoraría'l rendimientu. Amás empréstase a un diseñu modular que podría dexar una producción económica.

Retos teunolóxicos

Según un estudiu norteamericanu de 2008, esisten cuatro grandes retos teunolóxicos que la SSP tien de vencer pa poder ser vidable:

1. Componentes fotovoltaicos y electrónicos que tengan altu rendimientu a alta temperatura #

Tresmisión inalámbrica d'enerxía de forma precisa y segura

1. Arquitectures de sistemes espaciales de baxu costu #

Llanzadores espaciales de baxu costu

Componentes eficientes a alta temperatura

Tanto les célules fotovoltaiques como los componentes electrónicos de les antenes emisores vieron el so rendimientu ameyorar sensiblemente nes últimes décades. Sicasí, toos ellos funcionen peor o nun funcionar n'absolutu a altes temperatures.

La refrigeración d'un satélite espacial ye complicada porque al atopase más allá de l'atmósfera nun esiste enfriamientu por conveición, debiéndose sacupar tol calor por aciu radiadores. Un satélite SSP que tuviera espuestu de cutio al Sol algamaría por ello una temperatura d'equilibriu sensiblemente más alta qu'una instalación fotovoltaica terrestre. Pa caltener una eficiencia razonable ye necesariu por tanto desenvolver célules y sistemes electrónicos resistentes a altes temperatures.

Tresmisión inalámbrica d'enerxía

Artículu principal: Tresmisión inalámbrica d'enerxía

La tresmisión d'enerxía ente'l satélite y la rectenna en tierra plantega problemes de seguridá entá non resueltos. El fexe d'enerxía tien d'apuntar namái a la rectenna, ensin esviase sobre otres zones. Tamién tienen d'escurrise sistemes qu'eviten interferencies coles aeronaves que puedan cruciase nel camín del fexe, según realizar estudios p'asegurase de l'ausencia d'efeutos nocivos de les microondes o del láser sobre la salú y el mediu ambiente.

Per otru llau, la viabilidá económica de los sistemes SSP rique que les estaciones de receición sían lo más pequeñes posible. Pa ello esisten dos medios: aumentar el diámetru de l'antena emisora o aumentar la frecuencia de la radiación tresmitida. Sicasí, una antena emisora mayor implica mayor pesu a poner n'órbita y una frecuencia más alta conduz a menores eficiencies de tresmisión. Tamién hai que tener presente qu'una radiación de frecuencia bien alta convertir n'ionizante, pudiendo xenerar trestornos ecolóxicos o biolóxicos al algamar la Tierra. Na primer década del sieglu XXI nun esiste una solución clara a esti problema, embaraxándose la posibilidá de partir la enerxía de cada satélite ente delles estaciones receptores simultáneamente.

Sistemes espaciales de baxu costu

Tradicionalmente, los sistemes espaciales (naves, satélites, misiones d'esploración) fueron diseñaos como obres d'inxeniería úniques y bien complexes, con un costu económicu bien alto. Un exemplu paradigmáticu ye la Estación Espacial Internacional, que'l so costu total envalorar nunos 100.000 millones de dólares incluyendo los costos d'operación mientres 10 años. D'esti total, unos 35.000 millones correspuenden al costu de los materiales y equipos.

Pa rebaxar el costu de los satélites de SSP propúnxose la idea de construyilos xuniendo una gran cantidá de módulos pequeños ya idénticos ente sigo, que podríen ser producción en cadena fabricaos en masa a baxu costu. L'ensamblaxe de los módulos y el so caltenimientu seríen dirixíos por un programa d'intelixencia artificial instaláu n'el mesmu satélite, colo que s'embriviría la necesidá d'astronautes pa la construcción y l'operación del sistema.

Llanzadores espaciales de baxu costu

Tresbordador espacial Atlantis.

En 2006 poner n'órbita geoestacionaria un quilu de carga costaba ente 8.000 y 24.000 dólares (6.500 - 20.000 euros al cambéu de 2006). Sicasí, envalórase que fadría falta amenorgar los costos a unos 600 a 700 €/kg por que les grandes estaciones de SSP empezaren a ser competitives cola lletricidá fotovoltaica terrestre.

Los altos costos na primer década del sieglu XXI deber a delles causes. En primer llugar fai falta una gran inversión inicial. Por casu, el desenvolvimientu del cohete européu Ariane 5 costó 6.000 millones d'euros. La inversión inicial se amortiza ente'l númberu de misiones que se realicen: cuanto más s'utilice'l sistema, más baratu va resultar cada vuelu. Si la SSP desenvolviérase, riquiría un gran númberu de llanzamientos, colo que puede imaxinase que los costos baxaríen.

Otra razón pola que los llanzamientos na primer década del sieglu XXI son bien caros ye'l fechu de que'l cohete ye d'un solu usu, destruyéndose mientres la misión. Un sistema reutilizable podría rebaxar sustancialmente los costos. A lo último, tamién resulta bien caru'l personal (numberosu y bien cualificáu) qu'opera les infraestructures de llanzamientu.

La NASA realizó a finales de los años 1990 un estudiu sobre los sistemes de llanzamientu reutilizables nel que se compararon dellos diseños conceptuales que dexaríen amenorgar los costos de llanzamientu a unos 500 dólares por kg. Ente los conceutos de mayor aceptación figuraron los motores ramjet (y derivaos como'l scramjet) según la idea de suministrar el primer impulsu a les naves por aciu sistemes d'aceleración terrestres.

Un conceutu de propulsión terrestre ye'l denomináu MagLifter, que consiste nuna plataforma horizontal sobre la que s'instalaría'l tresbordador espacial o dalguna otra nave reutilizable con forma d'avión. Por aciu un sistema de propulsión magnética similar al de los trenes de levitación magnética el MagLifter acelerar hasta una velocidá de 885 km/h. Nesi momentu'l tresbordador encendería los sos motores y desapegaría. Esti conceutu, inspiráu de les catapultes utilizaes nos portaviones pa facilitar el despegue de los aviones, esaniciaría la necesidá de cohetes pal llanzamientu, que, amás de nun ser reutilizables, aumenten de forma bien importante'l pesu que tien de ser llevantáu del suelu nel momentu del despegue.

Otru conceutu similar pero más estremu ye'l Star Tram: un tubu de 1500 km de llargor que taría asitiáu na superficie terrestre nes sos 1300 km iniciales y levitando magnéticamente sobre'l suelu de forma tanxencial a la Tierra nes sos 200 km restantes, llegando a algamar un altor de 22 km sobre'l nivel del mar. Nel interior del tubu fadría'l vacíu y dispondríase un sistema de levitación magnética qu'aceleraría la nave espacial hasta unos 29.000 km/h usando decenes de gigavatios de lletricidá. Al salir del tubu la nave encendería los sos motores, que la llevaríen direutamente a órbita. Según los sos creadores, el Star Tram dexaría amenorgar los costos de llanzamientu a tan solo 250 $/kg.

Aplicaciones

Suministro de lletricidá a la Tierra

L'oxetivu principal previstu pa la enerxía solar espacial dende la so invención nos años 60 ye'l suministru de lletricidá a la Tierra a gran escala. Con cuenta de satisfaer la demanda enerxética de la creciente población mundial, los distintos estudios realizaos propunxeron sistemes capaces de suministrar dellos gigavatios de lletricidá de forma constante, bien por aciu unos pocos satélites xigantescos bien por aciu constelaciones de satélites más pequeños.

Nos años 2000 surdió amás l'interés per satélites SSP de menor escala, del orde d'unos cuantos megavatios. Una de les sos aplicaciones podría ser el suministru de lletricidá a bases militares aisllaes en países ensin infraestructura enerxética. Tamién se remembró la posibilidá d'utilizar la SSP pa suministrar lletricidá d'emerxencia a zones afeutaes por catástrofes naturales y asina facilitar les xeres de reconstrucción.

Aplicaciones militares

Un satélite SSP de tan solo unos 5 MW podría ser útil pal suministru d'unidaes militares sobre un terrén d'operaciones d'accesu difícil. Amás podría dexar el desenvolvimientu d'unidaes y armes novedoses como por casu aviones ensin pilotu de reconocencia que podríen caltenese indefinidamente en vuelu.

El ministeriu de Defensa estauxunidense estudia tamién la producción de combustibles sintéticos a partir de lletricidá, que podría ser suministrada direutamente a la parte de guerra por aciu enerxía solar espacial. Otra manera, el Pentágonu afirma que nun entama utilizar los satélites SSP direutamente como arma ofensiva por cuenta de que la enerxía tresmitida distribúyese sobre una zona amplia y por tanto'l fexe de microondes nun tien nin la capacidá destructiva nin la precisión d'otres armes a empiezos del sieglu XXI muncho más barates como los misiles balísticos.

Suministru de lletricidá a misiones espaciales

Amás de radiar enerxía escontra la Tierra, los satélites SSP tamién podríen alimentar vehículos d'esploración interplanetaria, telescopios espaciales y misiones tripulaes a Marte. Esto podría suponer una alternativa más segura que'l tresporte de reactores nucleares hasta'l planeta coloráu. Otros sectores que podríen beneficiase de la SSP seríen el turismu espacial y los promotores de plantes industriales espaciales.

Balance enerxéticu

Tiempu de torna enerxética

Un factor bien importante de los sistemes cola función de xenerar enerxía ye'l tiempu que se precisa pa reponer la enerxía que foi necesaria pa construyilos, incluyendo producción, llanzamientu y esplegue. A esti tiempu denominar "tiempu de torna enerxética".

En 2004 los paneles fotovoltaicos terrestres teníen un tiempu de torna enerxética d'ente 3 y 4 años. Anguaño gracies a les meyores teunolóxiques amenorgóse a ente 0,5 y 1,5 años y espérase que siga amenorgándose. En comparanza, los paneles solares producíos en 2005 tendríen nel espaciu un tiempu de torna d'ente 4 meses y 2 años, a pesar de la enerxía necesaria pal tresporte fora de l'atmósfera. A esta cifra habría qu'añader el tiempu pa recuperar la enerxía gastada na fabricación de los paneles solares y de los otros componentes del sistema como'l satélite y les antenes emisora y receptora.

La comunidá científica llegó a la conclusión de que, a pesar de la enerxía necesaria nel llanzamientu, la torna enerxética ye más rápidu en sistemes espaciales qu'en sistemes terrestres.

Esperanza de vida de los paneles

Los satélites n'órbites geoestacionarias tán asitiaos más allá de los petrines de Van Allen y espuestes a la radiación ionizante proveniente del Sol. Esti fenómenu ye especialmente acusáu en periodos d'alta esposición a partícules enerxétiques causaes por erupciones solares. Esta carga contribúi al amenorgamientu de la esperanza de vida de los paneles, cuantimás si comparar con aquellos asitiaos na superficie terrestre. Esta gastadura amenorgaría'l rendimientu total siquier ente un 1-2% añal, y collo la esperanza de vida de los paneles. P'amenorgar esti problema podría diseñase dalgún sistema proteutor del satélite (salvu na parte del panel espuesta direutamente al Sol).

Cabo tamién la posibilidá de que, llegáu'l momentu, el caltenimientu del panel realizar nel espaciu en llugar de rellanzar un nuevu satélite. Sería facederu'l realizar una única misión espacial pa los llabores de caltenimientu de dellos satélites al empar, optimizando asina los costos.

Pros y contras

Factores a favor

• Beneficiu ambiental: El posible beneficiu ambiental sería importante. Pa poder abastecer d'enerxía a la creciente población del planeta precisa una fonte llimpia y perenal d'enerxía. Les microondes provenientes del espaciu podríen calecer l'atmósfera llixeramente (estremu ensin probar) pero l'ausencia d'emisiones dañibles (p. ex. CO₂), que presenten otres fontes enerxétiques, compensaría esa posible desventaxa.
• Flexibilidá y seguridá: La enerxía solar espacial esaniciaría la necesidá de complexes redes llétriques intercontinentales y amenorgaría tamién la cantidá d'apagones, una y bones una interrupción d'una emisión de microondes ye bien improbable. Otra ventaya ye'l fechu de que la fonte d'enerxía atopar a una distancia de 36.000 km, faciéndolo bien inaccesible como oxetivu terrorista. El sistema dexaría tamién intercambiar con facilidá una fonte tresmisora por otra y volver a entamar el suministru de forma inmediata en casu d'interrupción.

Erupción del Monte Saint Helens en 1980 en Washington, EE. XX.

• Enerxía en casu d'un iviernu global: Nesa situación la enerxía solar espacial podría ser la única forma d'adquirir enerxía solar direuta pa complementar los combustibles fósiles, la enerxía nuclear y les otres enerxíes anovables (hidráulica, eólica, xeotérmica) so condiciones estremes, como por casu nun iviernu volcánicu o n'unu nuclear. Créese que la erupción de dalgún de los supervolcanes riolíticos esistentes nunes poques docenes de puntos calientes de la Tierra podría dar llugar a una glaciación repentina. En dómines xeolóxiques relativamente recién produciéronse erupciones de tal escala. Ente elles cabo destacar por partida doble la caldera de Yellowstone, nuna ocasión fai 2,2 millones d'años y n'otra más recién fai 640.000 años. Nesta postrera espulsó 800 vegaes más materia que la despidida en 1980 pol monte Saint Helens. Les mayores erupciones conocíes fueron les de la caldera Garita nes montaña San Juan en Colorado (5 vegaes mayor que la caldera de Yellowstone) y la del Llagu de Toba n'Indonesia (3 vegaes mayor que la caldera de Yellowstone). Envalórase qu'esta última erupción causó fai 75.000 años una glaciación global que pudo durar 1000 años y acabáu col 60% de la población global.

Factores en contra

• Costos económicos: Los costos económicos necesarios pa desenvolver la SSP siguen siendo descomanadamente alzaos na primer década del sieglu XXI, de forma que solo van ser rentables si amenórguense los costos de llanzamientos al espaciu; atópase la forma de fabricar satélites con materiales estraterrestres (ej. de la Lluna); los costos enerxéticos convencionales álcense drásticamente; o s'arrenuncia al usu de los combustibles fósiles. Hasta qu'unu d'estos estremos nun seya realidá, les barreres económiques van siguir siendo una torga pa la so implementación.
• Papel nel calentamientu global: La tresmisión d'enerxía dende un satélite espacial a la Tierra nun se realiza con una eficiencia enerxética del 100%, sinón d'ente un 50 y un 80%. La enerxía perdida estenar na atmósfera en forma de calor causando, en principiu, una medría de temperatura na atmósfera. Esta afirmación ye ciertu pero tien de ser puesta en contestu. Una central nuclear o de carbón xeneren un 50% más de calor que lo que s'espera de la enerxía solar espacial. Por ello, si toos eses centrales fueren sustituyíes por satélites solares la resultancia sería un amenorgamientu del calentamientu global.

Otros aspeutos d'interés

Papel de la Lluna

Misión del Apollo 17 sobre la Lluna.

El sosuelu de la Lluna contién siliciu y metales, que son les materies primes básiques pa construyir satélites SSP. Los paneles solares terrestres usen recursos terrestres, pero los satélites d'enerxía solar podríen construyise puramente con materiales llunares. Namái les antenes receptores tendríen que construyise con materiales terrestres. Unviar materiales dende la Lluna hasta la órbita geosíncrona ye muncho menos costosu energéticamente que propulsar materiales fora de la gravedá de la Tierra. Estos argumentos llevaron a proponer el desenvolvimientu esperimental de les téuniques de minería llunar que dexen alimentar nel futuru la construcción de los satélites SSP n'órbita. Darréu, la base llunar podría aprovir paneles solares para, por casu, satélites, misiones a Marte y asteroides que s'averen a la Tierra.

Otra opción por afondar sería l'allugamientu d'estaciones xeneradores na lluna, la llamada “Enerxía Solar Llunar”, LSP (del inglés Llunar Solar Power). Asitiando estaciones en puntos opuestos de la Lluna y una antena emisora na cara visible podría unviase una corriente constante d'enerxía escontra la Tierra.

Busca d'intelixencia estraterrestre

Cuasi'l 100% de la enerxía radiada pol Sol arrobinar en direiciones distintes de les qu'ocupa la Tierra. Quiciabes seya posible nun futuru alloñáu aprovechar de dalguna forma tan vasta fonte d'enerxía qu'anguaño se pierde nel cosmos.

Especular con que precisamente esti tipu de teunoloxía podría ayudar na busca de vida estraterrestre, yá que se supón qu'una civilización avanzada podría ser capaz de faer usu d'una proporción importante d'esta enerxía perdida de los cuerpos solares. Ye bien difícil identificar planetes fuera del Sistema Solar capaces d'allugar vida intelixente, pero identificando estrelles con lluz modificada p'aplicaciones d'enerxía solar espacial a gran escala podría señalase la esistencia de civilizaciones estraterrestres avanzaes.

Ver tamién: Esfera de Dyson

Ver tamién

Colector solar Enerxía solar Enerxía solar fotovoltaica Estación Espacial Internacional Llanzadera espacial Panel solar Vela solar

Enllaces esternos

N'español

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• Steve Price. «Enerxía del Espaciu pal Planeta Tierra» (castellanu). Consultáu'l 1 de xunetu de 2008.
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• Datos: Q1981843
• Multimedia: Space-based solar power