De la ciencia ficción al cielo alto: ¿Son los paneles solares en órbita una idea brillante?

Imagina aprovechar la energía del sol no solo desde la Tierra sino desde el propio espacio. Esa es la esencia de la energía solar espacial (SSP). 

Es un concepto avanzado donde la energía solar se recoge en la inmensidad del espacio y luego se transmite a la Tierra. Este método elude limitaciones terrestres como la noche y las condiciones climáticas, garantizando un flujo constante y sin obstrucciones de energía solar.

Aunque pueda sonar como una idea futurista, los principios fundamentales detrás de la SSP son tan atemporales como el propio sol.

Para definir la energía solar espacial: es una fuente de energía limpia donde la energía obtenida de la luz solar en el espacio se transmite de forma inalámbrica a la Tierra. 

El Sol, con una vida estimada de 4-5 mil millones de años, representa una solución energética verdaderamente a largo plazo. Además, la energía solar espacial no emite gases de efecto invernadero y no depende de recursos de agua dulce cada vez más escasos, tierras agrícolas valiosas o fertilizantes derivados del gas natural. 

Tampoco produce residuos peligrosos y, a diferencia de las soluciones solares tradicionales, permanece sin ser afectada por la nubosidad, las variaciones de luz diurna o la velocidad del viento.

Las oportunidades que la energía solar espacial nos brinda han inspirado a muchas organizaciones a desarrollar soluciones alrededor de ella. Algunos actores destacados en el mercado de energía solar basada en el espacio incluyen Airbus, Azur Space Solar Power GmbH, Fralock LLC, Japanese Aerospace Exploration Agency, Northrop Grumman, Borrego Energy, LLC., Solaren Corporation, Space Tech GmbH, Space Canada, DHV Technology, y más. 

Pero antes de profundizar en la comprensión de cómo funcionan estas empresas y sus soluciones, repasemos qué son los sistemas de energía solar basados en el espacio y por qué se consideran viables para la producción de energía limpia y renovable. 

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La ciencia detrás de los sistemas de energía solar basados en el espacio

Los estudios indican que cada hora, la Tierra recibe más energía solar de la que la humanidad consume en un año entero. Curiosamente, la atmósfera terrestre refleja aproximadamente 30% de esta energía solar de vuelta al espacio. 

Los sistemas de generación de energía solar espacial aprovechan la abundante energía solar que de otro modo se pierde en el espacio, sin ser utilizada. Después de todo, la ausencia de interferencias atmosféricas como las nubes y la exposición constante a la luz solar sin la interrupción de la noche hacen que estos sistemas basados en satélites sean excepcionalmente eficientes. Pueden capturar y transmitir considerablemente más energía de regreso a la Tierra que los paneles solares tradicionales.

En estos sistemas de captura y transmisión de energía solar basados en el espacio, los satélites equipados con paneles también poseen capacidades de transmisión de energía. Utilizan espejos de gran tamaño para concentrar enormes cantidades de rayos solares en colectores solares más pequeños. Esta radiación solar de alta intensidad e ininterrumpida se transmite de forma inalámbrica a la Tierra de manera segura y controlada.

La viabilidad de la energía solar espacial: Innovaciones técnicas

La transmisión de energía solar espacial se ha vuelto viable gracias a las recientes innovaciones técnicas. Existen dos tipos de sistemas de transmisión. 

El primero son los satélites solares que transmiten microondas, mientras que el otro son los satélites solares que transmiten láser. En los satélites que transmiten microondas, la luz solar se refleja en los grandes espejos hacia el centro del satélite, donde se transforma en energía de microondas ininterrumpida que se envía a la Tierra. 

Pasando al segundo tipo, los satélites que transmiten láser, como su nombre indica, utilizan láseres en lugar de haces de microondas. Estos satélites suelen operar en grupos con otros satélites más pequeños, debido a su menor tamaño.

En cuanto a la viabilidad económica de estas dos configuraciones, los satélites solares láser tienen costos iniciales relativamente bajos, en el rango de US$500 millones a US$1 mil millones. El diámetro más pequeño del haz láser lo hace fácil y barato de implementar en tierra.

Sin embargo, los satélites solares de microondas cumplen su propósito al capturar y transmitir energía constante e ininterrumpida a través de la lluvia, las nubes y otras condiciones atmosféricas. Pueden proporcionar más de 1 gigavatio de energía a su receptor terrestre, lo cual es suficiente para alimentar una gran ciudad.

Al discutir todos estos avances, nunca debemos olvidar que estas maravillas tecnológicas no se lograron en un día. Implican una larga tradición de investigación científica y tecnológica. Para comprender el potencial futuro de la energía solar espacial, debemos contextualizarla. 

Evolución del concepto de energía solar espacial: Desde el inicio hasta el estado actual

Años 1970:

• Los conceptos de energía solar espacial comenzaron a estudiarse en los Estados Unidos.

Años 1980:

• Asia comenzó a estudiar conceptos de energía solar espacial.

Finales de los 1990s – Principios de los 2000s:

• 1998: El Estudio de Definición del Concepto de Energía Solar Espacial identifica conceptos de energía solar espacial creíbles y comercialmente viables y sus riesgos técnicos y programáticos asociados.

• 1998: La agencia espacial de Japón desarrolla un sistema de energía solar espacial, que sigue activo.

• 1999: Se inicia el Programa de Investigación Exploratoria y Tecnológica de Energía Solar Espacial de la NASA.

Principios de 2010 a 2020

• 2010: La Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO) comienza los cimientos de la energía solar espacial.

• 2012: China propone un desarrollo conjunto de energía solar espacial con la India.

• 2015: Caltech y Northrop Grumman Corporation establecieron la Iniciativa de Energía Solar Espacial, asignando aproximadamente US$17,5 millones durante tres años para el desarrollo de un sistema de energía solar basado en el espacio.

Años 2020

• 2022: El Reino Unido anuncia su Iniciativa de Energía Espacial, con el objetivo de lanzar su primera estación de energía espacial a mediados de la década de 2040 y apuntar al 30 % de su demanda eléctrica de esta fuente.

• 2022: La Agencia Espacial Europea anuncia el programa Solaris, planificando operar Satélites de Energía Solar a partir de 2030.

• 2023: El Demostrador de Energía Solar Espacial de CalTech (SSPD-1) transmite con éxito energía detectable a la Tierra.

A lo largo de estos años, varios gobiernos nacionales, departamentos de investigación universitarios y organizaciones financiadas por el Estado han explorado la infraestructura y las posibilidades de la energía solar espacial.

Contribuciones significativas también han venido de empresas y compañías como Northrop Grumman, Airbus y Solaren Corporation en el desarrollo de esta fuente de energía transformadora.

Aunque muchos de estos programas de energía solar espacial provienen de gobiernos nacionales, departamentos de investigación universitarios y organizaciones autónomas financiadas por el Estado, empresas como Northrop Grumman, Airbus y Solaren Corporation han desempeñado papeles cruciales en aprovechar esta fuente de energía transformadora. 

Empresas con iniciativas transformadoras de energía solar espacial

1. Northrop Grumman

El equipo del proyecto Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) de la empresa Northrop Grumman, con sede en Baltimore, Maryland, está trabajando para hacer realidad la transmisión de energía solar desde el espacio a cualquier lugar de la Tierra. 

El proyecto tiene como objetivo aprovechar células fotovoltaicas de alta eficiencia en órbita para recoger energía solar y convertirla en energía de radiofrecuencia (RF) que se transmitirá a una estación receptora en la Tierra.

La empresa ha sido líder en desarrollar sistemas de paneles solares llave en mano adecuados para el espacio. Sus subensamblajes fotovoltaicos incorporan las últimas tecnologías para soldar o unir con automatización robótica, conectando células solares en circuitos de hasta seis pies de longitud.

Sus Celdas Interconectadas Cubiertas ofrecen integración de células solares y vidrio de cobertura para ensamblajes CIC.

También fabrica cadenas de células solares, ensamblajes de placas de aislamiento de alas resistivas para los entornos más extremos del espacio, capaces de operar en todo el rango de temperatura (-185 a >300 grados C), ensamblajes de termómetros de resistencia de platino, y más.

Estas innovaciones han ayudado a que las iniciativas de energía solar espacial avancen rápidamente y alcancen su potencial.

En 2022, Northrop Grumman registró ventas de US$36,6 mil millones y registró una ganancia por acción ajustada por transacciones de US$25,54. Las ganancias netas de la compañía fueron casi US$5 mil millones en el año fiscal 2022.

2. Airbus

Otra compañía que sobresalió en este campo fue Airbus. Sus soluciones de transmisión de energía buscan ayudar a Europa a acceder a más energías renovables de forma independiente, con nuevas redes energéticas en el cielo que ofrecen suministro de energía sostenible las 24 horas. Los primeros prototipos operativos de transmisión de energía de Airbus podrían estar en uso a principios de la década de 2030.

Además, Airbus también es un fabricante europeo líder de paneles solares, ensamblajes fotovoltaicos y ensamblajes de células solares para aplicaciones institucionales y comerciales. Ha fabricado unidades de acondicionamiento y distribución de energía para satélites. También suministra sistemas de propulsión eléctrica y una gama de componentes electrónicos para propulsión eléctrica, incluidos los módulos de control y procesamiento de energía requeridos en los sistemas solares espaciales.

Airbus también está trabajando en la construcción de paneles solares fotovoltaicos avanzados que sean más ligeros, más flexibles y capaces de capturar más energía en su superficie. Su programa insignia, Zephyr es un pseudo‑satélite de gran altitud alimentado exclusivamente por energía solar.

Todo esto contribuye enormemente a avanzar la causa de la energía solar espacial a un ritmo más rápido y con mayor eficiencia.

En el año fiscal 2022, Airbus registró ingresos por 58,8 mil millones de euros, con un EBIT ajustado de 5,6 mil millones de euros. Su flujo de caja libre antes de fusiones y adquisiciones y financiación de clientes fue de 4,7 mil millones de euros. La empresa propuso un dividendo de 1,80 euros por acción.

3. Solaren Corporation

Un innovador emergente en este campo, Solaren Corporation, ha desarrollado formas de transmitir electricidad de bajo costo y cero emisiones desde el espacio.

Durante los próximos diez años, Solaren desarrollará, lanzará y operará la primera planta SSP y venderá electricidad. Solaren también ha adquirido patentes de sistemas SSP de vanguardia en países como Estados Unidos, la Unión Europea, China, Japón, India, Canadá y la Federación de Rusia.

Las soluciones de energía solar espacial de Solaren tienen muchos beneficios. Incluyen un suministro de electricidad base limpio 24/7, que es competitivo en costos, libre de emisiones y sin el alcance de la radiación nuclear. Además, no requieren agua para refrigeración térmica, evitando la posibilidad de que océanos, ríos y lagos se calienten.

La solución de energía solar espacial de Solaren tiene dos componentes: el Satélite de Energía Solar y la Estación Receptora Terrestre. El satélite utiliza paneles solares y una antena/array de RF para capturar y transmitir. La Estación Receptora Terrestre recibe la energía transmitida a través de sus antenas receptoras.

En julio de 2023, Solaren anunció la finalización exitosa de su última ronda de financiación, liderada por Skyseed Ventures. Solaren recaudó $2.46 million en esa ronda.

Impacto global y viabilidad de la energía solar espacial

El advenimiento de tecnologías altamente avanzadas en torno a los sistemas de energía solar basados en el espacio ha ayudado a alimentar vehículos espaciales, satélites, rovers y otra infraestructura espacial. La energía solar del espacio puede ayudar a que estos sistemas funcionen durante períodos prolongados sin necesidad de reabastecimiento frecuente de fuentes de energía a bordo.

Las innovaciones han reducido el costo de desarrollar cohetes reutilizables, disminuyendo el gasto de lanzar equipos al espacio. El costo de mantenimiento de la arquitectura de captura y transmisión de energía solar basada en el espacio también ha disminuido. El mayor uso de robótica y automatización jugará un papel vital en reducir aún más los costos y aumentar la eficiencia.

Según estimaciones, Norteamérica domina el espacio con casi dos quintas partes de los ingresos globales generados en la región. Sin embargo, en cuanto a los impulsores del crecimiento futuro, China e India tienen un alto potencial.

Desafíos a superar

En el futuro, las soluciones de energía solar espacial tendrán que superar algunos cuellos de botella cruciales. Uno de ellos es lograr el equilibrio perfecto entre el costo de producción y el rendimiento. Las soluciones de transmisión láser, menos costosas, sufren de baja potencia por satélite, requiriendo varios satélites para lograr un impacto notable. Las soluciones de transmisión por microondas, más caras, pueden alcanzar decenas de miles de millones de dólares en gastos de lanzamiento.

Las soluciones de transmisión láser, aunque innovadoras, pueden presentar desafíos relacionados con la seguridad, como el deslumbramiento y la potencial militarización. Por otro lado, las soluciones de transmisión por microondas, aunque evitan estos problemas de seguridad específicos, requieren mucho espacio, lo que obliga a que los receptores terrestres tengan varios kilómetros de diámetro.

Los satélites que transmiten láser también sufren las irregularidades atmosféricas como nubes densas o lluvias. Las soluciones de transmisión por microondas, debido a la distancia requerida de la Tierra, son prácticamente imposibles de reparar.

Todos estos problemas deben abordarse y resolverse adecuadamente. El tamaño de los satélites y de los receptores terrestres tendrá que reducirse drásticamente sin disminuir sus capacidades de captura y transmisión de energía.

El costo debe ser moderado para que los países en desarrollo tengan mayor confianza al probar y experimentar con estas tecnologías. Las disposiciones de reparación deben establecerse de manera más vigorosa, y las soluciones deberían volverse independientes del clima predominante en su desempeño.

Un camino prometedor por delante

Con grandes empresas públicas invirtiendo fuertemente en la fabricación de productos y soluciones de energía solar espacial, el futuro se muestra prometedor. La innovación prosperará y el sistema se volverá más eficiente y óptimo.

Después de todo, la fuerza que impulsa las misiones de energía solar espacial a nivel global es la causa mayor de lograr la sostenibilidad del planeta mediante energía renovable.

Al alcanzar su máximo potencial, la energía solar espacial podría suministrar electricidad a cualquier país al mismo costo sin requerir nuevos gastos para construir líneas de transmisión de larga distancia.

Los analistas creen que la energía solar espacial puede crear más de 250 000 empleos permanentes de alta tecnología en las próximas dos décadas. En realidad, este número podría ser aún mayor.

Por lo tanto, las soluciones de energía solar espacial seguirán ocupando una mayor participación del actual mercado global de electricidad de US$2 billones. Con un alcance creciente, cada vez más proveedores de soluciones se unirán al movimiento SSP. Se convertirá en una forma económicamente viable de resolver los desafíos energéticos que enfrenta el planeta hoy.

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