Hazlo hacia abajo

En el espacio exterior, el sol siempre brilla intensamente. No hay nubes que bloqueen los rayos solares y no hay noche. Los colectores solares montados en un satélite en órbita generarían energía las 24 horas del día, los 365 días del año. Si este poder pudiera transmitirse a la Tierra, entonces los problemas energéticos del mundo podrían resolverse para siempre.



Los satélites de energía solar (SPS) fueron propuestos originalmente como una solución a la crisis del petróleo de la década de 1970 por el ingeniero checo-estadounidense Peter Glaser, entonces en Arthur D. Little. Glaser imaginó conjuntos de células solares de 50 kilómetros cuadrados desplegados en satélites que orbitan 36.000 kilómetros por encima de puntos fijos a lo largo del ecuador. Un satélite a esa altitud geosincrónica tarda 24 horas en orbitar la Tierra y, por lo tanto, permanece fijo sobre el mismo punto de la Tierra todo el tiempo.

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La idea fue elegante. Las células fotovoltaicas de un satélite convertirían la luz solar en corriente eléctrica, lo que, a su vez, alimentaría un generador de microondas a bordo. El haz de microondas viajaría a través del espacio y la atmósfera. En el suelo, una serie de antenas rectificadoras, o rectennas, recogerían estas microondas y extraerían energía eléctrica, ya sea para uso local o para distribución a través de redes de servicios públicos convencionales.





La tecnología, como se concibió originalmente, planteaba enormes obstáculos técnicos. Transferir energía eléctrica de manera eficiente desde un satélite en órbita geosincrónica requeriría una antena transmisora ​​a bordo del satélite de aproximadamente un kilómetro de diámetro y una antena receptora en el suelo de aproximadamente 10 kilómetros de diámetro. Un proyecto de esta escala aturde la mente; Las agencias de financiación del gobierno se abstuvieron de invertir sumas inmensas en un proyecto cuya viabilidad era tan poco clara. La NASA y el Departamento de Energía, que había patrocinado estudios de diseño preliminares, perdieron interés a fines de la década de 1970.

En los últimos años, sin embargo, la industria de las comunicaciones ha anunciado proyectos de satélites que sugieren que ha llegado el momento de revisar la idea de los satélites de energía solar. A principios del próximo siglo, enjambres de satélites de comunicaciones orbitarán la Tierra a baja altitud, transmitiendo voz, video y datos a los lugares más remotos de la Tierra. Estos satélites transmitirán señales de comunicación a la tierra en haces de microondas. La transmisión de energía eléctrica con un haz de microondas se demostró ya en 1963, y la proyección de energía y datos a lo largo del mismo haz de microondas está dentro del estado de la técnica. ¿Por qué no utilizar el mismo rayo para transportar energía eléctrica?

Los nuevos satélites de comunicaciones orbitarán a una altitud de solo unos pocos cientos de millas. En lugar de flotar sobre un punto en el ecuador, los satélites en órbita baja recorren el mundo en tan solo 90 minutos, trazando caminos que oscilan alrededor del ecuador, subiendo y bajando hasta 86 grados de latitud. Debido a que están más cerca de la superficie de la tierra, los colectores solares del satélite pueden tener unos cientos de metros de diámetro en lugar de 10 kilómetros. Y debido a que los haces de microondas que generan se dispersarían mucho menos que los de los satélites geosincrónicos, las rectennas terrestres podrían ser igualmente más pequeñas y menos costosas. Al aprovechar estas flotas de satélites de comunicaciones y aprovechar sus transmisores y receptores de microondas, estaciones terrestres y sistemas de control, la tecnología de energía solar puede volverse económicamente viable.



Sin embargo, la órbita terrestre baja plantea sus propias dificultades. Debido a que giran alrededor del planeta con tanta rapidez, los satélites en órbita baja deben poseer sofisticados sistemas controlados por computadora para ajustar el objetivo del haz de microondas para que aterrice en la estación receptora. Estos satélites tendrán que utilizar sistemas electrónicos sofisticados, llamados arreglos en fase, para redirigir continuamente el haz saliente.

Energía para el desarrollo

La demanda de energía solar basada en el espacio podría ser extraordinaria. Para 2050, según algunas estimaciones, 10 mil millones de personas habitarán el mundo, más del 85 por ciento de ellas en países en desarrollo. La gran pregunta: ¿Cómo podemos satisfacer mejor las crecientes necesidades energéticas de la humanidad con el menor impacto adverso sobre el medio ambiente?

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Una consideración importante en la planificación de la energía espacial es el costo de poner un satélite en órbita. En este momento, cuesta mil veces más poner un objeto en el espacio que volarlo a través del país en un avión comercial, a pesar de que los dos trabajos requieren aproximadamente la misma cantidad de energía, alrededor de 10 kilovatios-hora por kilogramo de carga útil. Dos factores explican el costo adicional: el ejército de ingenieros y científicos necesarios para un lanzamiento espacial exitoso y la práctica de descartar gran parte del vehículo de lanzamiento después de cada vuelo.

Sin embargo, es probable que los costos de lanzamiento disminuyan a medida que aumenta la demanda de izar grandes volúmenes de material al espacio de manera regular: cuanto más frecuentemente se usa un sistema de lanzamiento, menor es el costo por uso. Además, la NASA está buscando una nueva generación de vehículos de lanzamiento reutilizables. La agencia patrocinó recientemente una competencia entre contratistas aeroespaciales por un vehículo espacial con el potencial de una operación similar a la de una aerolínea. El ganador fue Lockheed Martin Skunk Works, innovadores legendarios en el diseño de aviones desde el U-2 hasta el caza Stealth. Lockheed Martin planea construir y probar el X-33 reutilizable en forma de cuña de mil millones de dólares, una versión de la mitad del tamaño y un octavo de masa de un vehículo de lanzamiento llamado Venture Star que reemplazaría al transbordador espacial para transportar carga a una órbita baja. El costo de lanzamiento objetivo es de $ 2,200 por kilogramo, una décima parte del lanzamiento de un transbordador. A ese precio, la energía espacial podría volverse rentable si los satélites funcionan como relés de comunicaciones y fuentes de energía solar.

Un satélite de energía solar debería devolver rápidamente la energía necesaria para ponerlo en órbita. Comience con la suposición conservadora de que la tecnología satelital de energía solar produciría 0.1 kilovatios de electricidad en el suelo por kilogramo de masa en órbita. En ese caso, el gasto de energía de 10 kilovatios-hora por kilogramo para poner el satélite en órbita se reembolsaría en electricidad después de solo 100 horas, menos de cinco días.
Una forma de mantener bajos los costos de lanzamiento es utilizar una estructura inflable como colector solar. Hacerlo maximizaría el área de superficie del colector, importante para recolectar la mayor cantidad de energía solar, sin imponer una carga de peso importante al vehículo de lanzamiento. Los colectores solares desinflados podrían plegarse en un espacio compacto a bordo de la nave espacial; una vez en órbita, el gas de un contenedor presurizado inflaría la estructura.

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Los globos en el espacio son una vieja historia. De hecho, el satélite de 1960 conocido como Echo I era un globo utilizado para hacer rebotar ondas de radio en la Tierra. La NASA ahora está estudiando la viabilidad de estructuras inflables en el espacio para antenas, sombrillas y paneles solares, aunque no explícitamente para sistemas satelitales de energía solar. Un hito experimental importante fue el despliegue exitoso por los astronautas del Transbordador Espacial Endeavour en mayo de 1996 del Experimento de Antena Inflable Spartan, una antena de 14 metros inflada por un bote de gas nitrógeno en órbita.

No es un paso tan grande de un experimento de este tipo a un satélite de captación solar que podría ensamblarse en órbita a partir de segmentos inflados. Si la NASA hiciera de la investigación sobre estructuras espaciales inflables una alta prioridad, la base de conocimientos para fabricar satélites rentables de baja potencia de masa podría evolucionar rápidamente.

Un paso a la vez

Al principio, la energía solar transmitida desde el espacio se usaría solo para proporcionar la energía eléctrica mínima necesaria para hacer funcionar la electrónica de la estación receptora en el suelo, de la misma manera que la corriente de línea alimenta los teléfonos convencionales. En última instancia, los satélites transmitirían mayores cantidades de energía, lo que podría proporcionar los megavatios de electricidad que contribuirían sustancialmente a alimentar un pueblo o incluso una ciudad.

Escalar a niveles de energía más altos sería sencillo, implicando simplemente el despliegue de una mayor cantidad de área de recolección de energía solar en el espacio. La energía se transmitiría a través de la infraestructura de transmisores y receptores que luego se instalarán para los sistemas de comunicaciones por satélite. A este respecto, la transmisión de microondas tiene una ventaja decidida sobre los métodos de transmisión de potencia por cable convencionales. Un sistema de microondas que tiene una eficiencia del 80 por ciento en el envío de 1 kilovatio seguirá siendo 80 por ciento eficiente en el envío de 1 megavatio. Esto es fundamentalmente diferente de una línea de transmisión de servicios eléctricos, donde se necesitan cables más gruesos y costosos para transportar más energía. Si se pasa demasiada energía a través de un cable, se derretirá el aislamiento.

Algunos temen que una red de satélites de energía solar pueda convertir la atmósfera en un gran horno de microondas, cocinando todo lo que se interponga en la trayectoria del rayo. En realidad, las intensidades de microondas que proponemos serían órdenes de magnitud por debajo del umbral en el que los objetos comienzan a calentarse. Las personas estarían expuestas a niveles de microondas comparables a los de los hornos microondas y los teléfonos celulares. Si bien algunos críticos especulan que las microondas representan amenazas no térmicas para la salud humana, no existe evidencia epidemiológica confiable de los efectos adversos de las microondas a estos niveles bajos. Se encontrarían niveles más altos de radiación de microondas en las rectas en las que se enfocan los rayos, pero las vallas y las señales de advertencia podrían demarcar estas áreas de posible peligro. Pero de acuerdo con nuestros cálculos, las intensidades de microondas incluso en el perímetro de la rectenna caerían dentro del rango que ahora la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional considera seguro.

Un problema potencial mayor es el de compartir las frecuencias limitadas en el espectro de microondas. Motorola ha sido criticada, por ejemplo, porque su sistema planeado empleará frecuencias en el rango de 1.616 a 1.626 gigahercios, que casi se superpone a la frecuencia de 1.612 gigahercios que sintonizan los astrofísicos cuando recopilan datos sobre el cosmos. A los radioastrónomos les preocupa que la interferencia de un satélite de energía solar abrume las señales comparativamente débiles que buscan detectar. Motorola promete limitar la propagación de sus haces de comunicaciones al nicho de frecuencia de los radioastrónomos, pero el problema subraya el hecho de que el espectro de microondas es un recurso limitado celosamente guardado por usuarios comerciales y sin fines de lucro. La asignación del espectro debe abordarse de manera rápida y eficaz para evitar la apropiación de la tecnología de energía espacial antes de que nazca.

El hecho de que los satélites de energía solar se conviertan en realidad dependerá en última instancia de la voluntad de las empresas de telecomunicaciones y de servicios eléctricos para ingresar al negocio de la energía espacial. Hasta ahora, ninguna industria ha mostrado mucho interés. Pero entonces, en su mayor parte, desconocen las posibilidades comerciales. Hay que saber que existe una opción para elegirlo. Hace treinta años, los satélites de comunicaciones eran una novedad. Hace diez años, nadie había oído hablar de Internet.

Lo que es seguro es que el actual impulso a la desregulación ha llevado a una lucha por parte de las industrias de telecomunicaciones, computadoras, televisión por cable y servicios públicos para ingresar a los mercados de las demás. Algunas empresas de energía eléctrica quieren ingresar al negocio de las telecomunicaciones como una forma de capitalizar la enorme inversión en alambres y cables que llega prácticamente a todos los edificios del país. Tiene el mismo sentido proponer que las empresas de comunicaciones entren en el negocio de la energía. En la práctica, los consorcios de empresas de energía y comunicaciones podrían desarrollar juntos la tecnología propuesta.

Ninguna pieza de esta tecnología representa un obstáculo fundamental. Se conoce bien la física de las células fotovoltaicas y la generación de microondas. Sin embargo, para pasar a la siguiente etapa, se requerirá una demostración de que todas las piezas de este sistema pueden funcionar juntas: los paneles solares, las antenas de microondas de matriz en fase, las estaciones receptoras que separan las señales de datos de los haces de energía y el Computadoras que le dicen a los satélites en qué lugar del suelo deben apuntar los rayos. La NASA podría acelerar enormemente este desarrollo colocando en órbita un prototipo de satélite de energía solar.

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Los beneficios son demasiado grandes para alejarse de ellos. Una red de satélites de energía solar como la que proponemos podría suministrar a la Tierra de 10 a 30 billones de vatios de energía eléctrica, suficiente para satisfacer las necesidades de la raza humana durante el próximo siglo. Los satélites de energía solar ofrecen así una visión en la que la producción de energía sale de la superficie de la tierra, lo que permite que todos vivan en un planeta más verde. Considere las implicaciones filosóficas: ya no es necesario que la humanidad se vea atrapada en una nave espacial terrestre con recursos limitados. Podríamos aprovechar los recursos ilimitados del espacio, con el planeta preservado como un recurso invaluable de biodiversidad.

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