Energía
Soluciones Energéticas Basadas en el Espacio para una Energía Limpia Ilimitada
Impulsando las Energías Renovables Más Alto
El impulso para descarbonizar y electrificar nuestros sistemas energéticos depende actualmente de las energías renovables, especialmente eólica y solar. La energía geotérmica y la energía nuclear también podrían ayudar.
Desafortunadamente, cada una de estas soluciones presenta algunas limitaciones:
- La energía geotérmica sigue siendo bastante no probada cuando se trata de producción a gran escala y depende de recursos de calor locales desiguales.
- La energía nuclear es impopular, produce residuos nucleares y requiere mucho capital inicial. Esto obstaculiza su adopción, incluso si la mayoría de estos problemas podrían resolverse con la 4ª generación de sistemas de energía nuclear.
- Las renovables sufren de intermitencia, obligando a que las redes eléctricas verdes también inviertan sumas masivas en baterías y otras formas de almacenamiento de energía.
En lo que respecta a la energía solar, la intermitencia parece una característica inevitable, ya que la Tierra está en la noche la mitad del tiempo. Para agravar este problema, la cobertura de nubes puede reducir drásticamente la producción de energía durante semanas o incluso meses en algunas regiones del mundo, y eso es antes de discutir los problemas causados por el polvo o la nieve.
¿Qué pasaría si, para evitar la noche y los problemas climáticos, colocáramos nuestra base de energía solar en el espacio? ¿Cómo funcionaría? ¿Y existe otra forma de alimentar a las civilizaciones de la Tierra desde el espacio?
Energía Solar Basada en el Espacio
La primera característica clave de la energía solar basada en el espacio es que, al orbitar la Tierra, los satélites de energía pueden colocarse en una órbita que nunca está en la sombra de la Tierra, produciendo 24/7. No solo esto duplica la producción, sino que también elimina la necesidad de baterías en las plantas solares terrestres.
Combinado con la ausencia de reducción de producción en invierno o debido a nubes, la energía solar intermitente se convierte en una energía de base casi perfecta.
Otro factor es que la atmósfera absorbe gran parte de la luz del Sol incluso sin nubes. La inclinación de la Tierra y su forma esférica también reducen la cantidad de sol que llega al suelo lejos de la zona ecuatorial.
Los paneles solares orbitales no sufren ninguna de estas limitaciones. Gracias a todos estos factores combinados, un panel solar en órbita podría producir hasta 40 veces más que uno en tierra.
¿Cómo Funciona?
Ya sabemos cómo producir energía solar en el espacio, con paneles solares de alto rendimiento que ya alimentan prácticamente todos los satélites y la EEI. En teoría, solo necesitaríamos lanzar a la órbita muchos más de esos paneles solares y enviar la energía de regreso a la Tierra.
Fuente: Solar.com
Sorprendentemente, la parte de enviar la energía de regreso no es tan difícil como se podría imaginar. El concepto dominante hasta ahora es usar microondas (2,45 GHz), que no son absorbidas por las nubes. Las microondas son luego absorbidas y convertidas de nuevo a electricidad gracias a un tipo de antena dedicada llamada rectena.
Alternativamente, la energía también podría ser transmitida de regreso con láseres.
Fuente: ESA – European Space Agency
Transmitir una gran cantidad de energía de regreso a la superficie de la Tierra podría sonar un poco preocupante. Tiende a crear la imagen de un rayo de muerte de supervillano de ciencia ficción. Sin embargo, en la práctica, dicho haz sería rico en energía pero no lo suficientemente poderoso como para representar un peligro para la superficie.
Debe señalarse que una de las ventajas de este sistema es que la energía DC creada por los paneles solares puede usarse directamente para transmitirla hacia abajo, con la energía AC generada solo en tierra para inyectar la electricidad a la red.
¿Por Qué Ahora?
Costos de la Energía Solar
Producir energía a partir de plantas solares orbitales es una idea antigua. Pero solo ahora está comenzando a parecer que podría volverse viable.
La primera razón es la creciente ineficiencia y la disminución de los costos de los paneles solares, que son los mismos factores que lo hicieron una opción viable en tierra.
Fuente: News Channel 3
Un mayor progreso tecnológico podría ver un aumento adicional en la eficiencia de conversión. Actualmente, los paneles solares terrestres de uso común tienen una eficiencia en el rango del 20-23%. Los que se usan en el espacio a menudo alcanzan hasta el 30%, ya que el costo extra se compensa con menos peso para llevar a la órbita, y se espera una ganancia adicional.
“Los paneles actuales usados en el espacio alcanzan eficiencias del orden del 30% al convertir la luz solar en electricidad, y en los próximos 20 años esperamos que lleguen al 40%”
Costos de Lanzamiento
El otro elefante en la habitación es la caída de los costos de alcanzar la órbita, impulsada casi en su totalidad por los logros de SpaceX en cohetes reutilizables. Este costo ya se ha dividido por 10 y se espera que siga disminuyendo con el lanzamiento de Starship y la producción masiva del cohete más grande de la historia.
Fuente: Ark Invest
Cuando los costos de lanzamiento eran £7,716 por kilogramo, representaban aproximadamente £154 por vatio de “costos de instalación”, comparado con apenas £2-1,5 en tierra. Pero si los costos de lanzamiento pueden bajar lo suficiente, esto hace que la energía solar basada en el espacio sea viable desde una perspectiva económica. Y Elon Musk apunta a apenas $100/kg a largo plazo, gracias a la total reutilización de la enorme carga útil de Starship.
Limitaciones de la Energía Solar Basada en el Espacio
Precio y Costos de Lanzamiento
Como se explicó arriba, la energía basada en el sol solo es viable si los costos de lanzamiento disminuyen significativamente. Aunque esto podría estar ocurriendo, no está claro cuán rápido se puede lograr otra reducción de 10 veces en el costo de lanzamiento orbital.
Esto podría retrasar significativamente la adopción de la energía solar basada en el espacio, con la mayoría de los grandes proyectos prototipo (cerca de la escala MW) no esperados antes de 2025-2030 como máximo. Un impacto significativo no se logrará antes de construir sistemas 1,000 veces más grandes a nivel de GW.
Enredo Orbital
Otra preocupación es la durabilidad real de los paneles solares en órbita. El espacio es un entorno hostil y de alta radiación, y los paneles se degradarán con el tiempo. Lo mismo probablemente suceda con componentes electrónicos como la antena de microondas.
Además, el espacio orbital se está saturando cada vez más. Los desechos espaciales se están convirtiendo en una preocupación seria, y las constelaciones de satélites de Órbita Baja (LEO) están aumentando exponencialmente el número de objetos alrededor de nuestro planeta.
Las plantas solares basadas en el espacio tendrían varios kilómetros cuadrados de superficie, lo que las hace propensas a ser impactadas regularmente por desechos espaciales. Incluso los micrometeoritos se convertirán en un problema si se les da suficiente superficie y tiempo.
En el peor de los casos, un impacto mayor crearían más desechos, lo que a su vez generaría más desechos, en una cascada catastrófica que destruiría la mayoría de los satélites de la Tierra. Este es un fenómeno conocido como síndrome de Kessler.
Actualmente, el síndrome de Kessler ya sería lo suficientemente dañino, arruinando las telecomunicaciones, la imaginería espacial y la ciencia, así como los sistemas de detección temprana de armas nucleares.
Pero si una gran parte de la energía de la Tierra fuera proporcionada por plantas solares orbitales, tal evento sería aún más devastador.
Durabilidad y Reciclaje
Excepto si se encuentran en una órbita muy distante, lejos de LEO, las trayectorias de los satélites tienden a decaer bastante rápido. Por lo tanto, las plantas de energía solar deberán situarse en órbitas más altas, hacia órbitas geoestacionarias (GEO), lo que incrementa los costos al requerir mayor capacidad de lanzamiento.
Esto también pone en duda su reciclaje, ya que estos paneles solares consumirán muchos recursos preciosos y no renovables, incluido la plata.
Por lo tanto, a largo plazo, cualquier infraestructura de energía solar a gran escala también necesitará dominar el reciclaje de los paneles en lugar de destruirlos manteniéndolos en órbita o haciéndolos estrellarse de nuevo a la Tierra.
Por último, enviar material a la órbita consume mucha energía. Por lo tanto, solo los cohetes de alta eficiencia harán viable el proceso, permitiendo que los paneles solares orbitales “recuperen” la energía utilizada no solo para fabricarlos sino también para enviarlos a la órbita.
Pérdidas de Energía
Como dijimos, los paneles solares en el espacio reciben mucho más energía que en tierra. Sin embargo, también deben pasar por varios pasos adicionales respecto a los sistemas terrestres antes de alimentar la red:
- En tierra: recoger luz solar -> convertir DC a AC -> enviar energía a la red.
- En el espacio: recoger luz solar -> convertir a microondas -> convertir microondas de nuevo a electricidad -> convertir DC a AC -> enviar energía a la red.
Los múltiples pasos adicionales que implican transmitir microondas hacia abajo causan enormes pérdidas de energía, sumándose al máximo 30-40% de eficiencia de conversión de luz solar a energía.
“El sistema que utilizamos en nuestra demostración tuvo una eficiencia de extremo a extremo de aproximadamente 5%. Eso no es algo que sea operativamente viable, aunque la luz solar sea gratuita. Para que una planta solar basada en el espacio tenga sentido, la eficiencia tendría que estar alrededor de al menos el 20%.”
Órbitas Estables y Viento Solar
Una última pregunta es cómo gestionar la trayectoria orbital de las plantas solares.
El panel solar necesitará ajustar constantemente su posición para recibir la máxima exposición al sol. Los haces de microondas deberán redirigirse continuamente para impactar la zona correcta de la superficie de la Tierra.
Debido a su ligereza y máxima exposición a la luz solar, los paneles solares serán impulsados por alas solares y luz. De hecho, esta presión de la luz se ha considerado para crear velas solares que propulsen naves espaciales.
En el contexto de una planta de energía solar orbital que necesita mantenerse estable, esto podría convertirse en un problema.
Perspectivas Generales de la Fotovoltaica Espacial
Gran parte del futuro de la energía solar basada en el espacio dependerá del desarrollo de la industria espacial en su conjunto. Algunos factores clave deberán alinearse para que suceda:
- El crecimiento de la industria permite la escala y la innovación para disminuir los costos de lanzamiento a los niveles requeridos.
- El desarrollo de una economía industrial orbital y/o cislunar, al menos para el mantenimiento y reciclaje de los satélites de energía.
- Una gestión adecuada de los desechos espaciales y mantener la órbita como una zona neutral y pacífica.
Alternativa a la Energía Solar Fotovoltaica en el Espacio
Solar Concentrado y Espejos Orbitales
La cadena luz -> energía -> microondas -> regreso al sistema de energía causa inherentemente enormes pérdidas, lo que compensa parcialmente la mayor producción solar al estar en el espacio.
Esta es una crítica central de este concepto, incluso abrazada por nadie más que Elon Musk ya en 2012
“Déjame contarte una de mis ideas favoritas: energía solar espacial. OK, la cosa más estúpida de la historia.
Y si alguien debería pensar, debería gustarle la energía solar espacial, ese debería ser yo. Tengo una compañía de cohetes y una compañía solar. Debería estar – realmente debería estar en ello, ya sabes.”
Por supuesto, mucho ha cambiado desde 2012. Los precios de los paneles solares y los costos de lanzamiento se han desplomado. Y la necesidad de generación de energía de base renovable es mucho mayor.
Aún así, podría haber una alternativa: reflejar directamente la luz solar en lugar de captarla con paneles fotovoltaicos. Esto podría lograrse colocando un espejo gigante en órbita.
Una ventaja de este método es que sabemos cómo construir espejos ultraligeros y ultrafinos en el espacio, usando papel de aluminio. Como el material solo necesita ser reflectante sin electrónica, puede ser mucho más barato y ligero por metro cuadrado que una célula fotovoltaica.
La idea es defendida notablemente por Ben Nowack, fundador de Reflect Orbital, el SOLSPACE de la Universidad de Glasgow (con una subvención de 2,5 M€ del Consejo Europeo de Investigación), y el gigante energético Laborelec de Engie.
La idea es alimentar granjas solares terrestres durante la noche transmitiendo luz solar hacia ellas. Por lo tanto, el modelo de negocio sería “vender” luz solar a las utilidades solares terrestres.
Un sistema así no podría atravesar la cobertura de nubes, pero podría ser una gran opción para granjas solares instaladas en áreas secas o desérticas.
Potencialmente, el concepto también podría impulsar las plantas fotovoltaicas espaciales “clásicas”, aumentando de forma económica la energía total que reciben antes de transmitirla a la Tierra.
En 2018, China anunció planes para usar un sistema de espejos así para reemplazar la iluminación nocturna de las calles para 2022. Aunque esto no se realizó, podría ser una forma creativa de usar “solar” basado en el espacio para reducir nuestro consumo de energía por la noche cuando las renovables subproducen.
Fábricas Espaciales
Como se explicó arriba, un costo importante en la energía solar basada en el espacio es la necesidad de enviar cientos o miles de toneladas de material a la órbita. Una solución a este problema sería producir directamente los paneles solares (o espejos) en el espacio, utilizando recursos ya presentes allí.
Este método eliminaría por completo de la ecuación el costo de elevar la planta de energía solar a la órbita. En su lugar, lo reemplazaría con el costo de enviar solo el equipo necesario para crear una fábrica de paneles solares (o espejos) basados en el espacio.
Una forma de hacerlo sería capturar asteroides con los recursos adecuados, minarlos y producir directamente la planta de energía en órbita.
Conceptualmente sólido, sin embargo sigue siendo muy especulativo, ya que aún no se ha logrado ninguna forma de minería de asteroides.
Base Lunar
Incluso si las plantas solares se producen en el espacio, los problemas de equilibrar los impactos del viento solar de los desechos espaciales y el reciclaje seguirán presentes.
Una alternativa sería instalar las estaciones solares en la Luna. La energía sería recopilada por enormes granjas solares construidas en la Luna y luego transmitida directa o indirectamente a la Tierra. Los haces de microondas desde la Luna también pueden ser redirigidos por espejos, ya que los metales reflejan microondas.
Fuente: Arizona State University
Comparado con los satélites solares LEO y GEO, esto presenta algunas ventajas:
- Gravedad: con 1/6 de la gravedad de la Tierra, la Luna podría ser mucho más amigable para adaptar el proceso de fabricación terrestre al espacio que los entornos totalmente sin peso.
- Perfecto para la energía solar: sin atmósfera, la superficie lunar nunca sufre de viento, nubes, niebla, hielo, tormentas de polvo, granizo, etc. Por lo tanto, la producción de energía será altamente fiable y predecible.
- Mantenimiento humano: los sistemas orbitales tendrían que depender totalmente de robots para el ensamblaje, mantenimiento y reciclaje. En cambio, los próximos planes de bases lunares de EE. UU. y de China+Rusia proporcionarían mano de obra local cuando los robots no sean suficientes.
- Recursos: La Luna es un cuerpo celeste masivo, probablemente con abundantes recursos. Esto la convierte en una mejor candidata para una fábrica espacial que la idea no probada de la minería de asteroides.
El silicio, aluminio y hierro pueden extraerse químicamente del suelo lunar para la fabricación de células solares. Los elementos traza pueden ser traídos desde la Tierra para dopar las células solares.
Se estima que un kilogramo de materiales transportado de la Tierra a la Luna resultaría en la entrega de 200 veces más energía eléctrica a la Tierra que un kilogramo de un satélite alimentado por energía solar.
Sin embargo, la idea tiene algunas limitaciones.
En particular, la Luna tiene un ciclo día/noche de 28 días, lo que obliga a que este concepto dependa de una sucesión de plantas de energía distribuidas por toda la superficie lunar (o espejos orbitales) para producir una salida continua.
Helio 3, Fusión y Plantas de Energía Lunar
Otra discusión sobre la energía futura que involucra a la Luna es su depósito de Helio-3. El elemento muy raro en la Tierra podría teóricamente alimentar una forma ultraeficiente de fusión nuclear.
En teoría, esto podría convertir la exploración espacial y la minería en una característica clave de nuestro suministro energético futuro. En la práctica, la fusión sigue estando en una fase experimental.
Fuentes similares de isótopos raros de hidrógeno, helio y otros elementos, por ejemplo, en los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, podrían desempeñar un papel similar a largo plazo.
La Luna también podría imaginarse como un sitio para un sistema de energía potencialmente peligroso pero altamente productivo (notablemente nuclear), eliminando la consecuencia de una falla catastrófica en la Tierra. Sin embargo, la pérdida de energía al retransmitir una fuente de energía así, así como los costos de construir en el espacio, podrían hacerla poco rentable.
Empresas de Energía Solar Espacial
1. Space Solar
Space Solar es una empresa británica que busca desarrollar un satélite solar espacial de 2 GW, CASSIOPeiA. Esto sería, de lejos, una de las estructuras más grandes jamás construidas por la humanidad, haciendo que algunos de los rascacielos más altos parezcan diminutos en comparación.
Fuente: Space Solar
CASSIOPeiA contendría 60 000 paneles solares, pesaría 2 000 toneladas y orbitaría a altitud geoestacionaria.
La transmisión de energía se realizaría usando una matriz de fase variable para dirigir el haz de energía. La estación terrestre necesitaría tener 5 km de diámetro. La tecnología de transmisión de energía ha sido demostrada hasta ahora en la Tierra, con 30 kW de potencia. Esto se logró gracias a HARRIER, la primera transmisión inalámbrica de energía de 360° que no requiere partes móviles, un factor clave para alta fiabilidad.
El concepto del satélite de energía se basaría en 2 reflectores solares que devuelven la luz solar al segmento colector central.
Fuente: Space Solar
Se espera que el programa cueste £17 B para la primera versión, con un costo de £3,6 B para iteraciones posteriores. Esto lo situaría en 1/4 del costo de una planta nuclear equivalente de 2 GW de capacidad, una comparación justa, considerando el perfil de carga base de la planta.
2. Reflect Orbital
Como se mencionó arriba, Reflect Orbital no busca generar energía en órbita. En su lugar, su negocio pretende “vender luz solar después del anochecer” a compañías solares terrestres.
Con precios pico a menudo justo después del atardecer, cuando la gente está en casa pero las renovables están fuera de línea, esto puede ser una buena estrategia. Además, el haz solar del satélite puede redirigirse fácilmente a diferentes ubicaciones, permitiendo arbitraje entre diferentes precios entre países o condiciones climáticas adversas en una zona.
Esto lo convierte en una empresa interesante a seguir en caso de que, de hecho, la conversión de luz solar a electricidad, luego a microondas y de nuevo a electricidad sea un proceso demasiado ineficiente para competir con la energía solar terrestre.
Por ahora, la empresa está desarrollando sus satélites y recaudando fondos. Para ayudar a explicar mejor el concepto, también realizaron una demostración usando un globo de aire caliente a 3 km de altura que se volvió viral.
Fuente: Reflect Orbital
La empresa planea probar un prototipo para 2025. Cada satélite pesaría solo 35 libras (16 kilogramos) y estaría equipado con espejos de mylar de 33 pies por 33 pies (9,9 por 9,9 metros) de tamaño, desplegándose una vez en órbita.
Los planes de Reflect Orbital pueden ser menos de alta tecnología que una red completa de satélites solares orbitales o basados en la Luna. Pero tal vez esto sea una fortaleza, ya que esencialmente solo utiliza tecnologías totalmente conocidas de manera creativa, dominadas desde hace décadas. Esto podría reducir parcialmente el riesgo del proyecto.
