I progressi nella tecnologia solare rendono plausibili le soluzioni basate sullo spazio

Da tempo, è in corso una vasta ricerca su come catturare e utilizzare space-based solar power. Scienziati ed esperti di tecnologia credono che l’energia solare basata sullo spazio possa essere un’aggiunta efficiente al set disponibile di fonti di energia sostenibile. 

Funzionalmente, l’impianto avrebbe pannelli di raccolta e sfruttamento dell’energia a livelli orbitali, che trasmetterebbero l’energia solare ai loro corrispondenti riceventi posizionati sul pianeta Terra. E poiché coinvolge lo spazio, il pianeta Terra e il percorso di trasmissione tra questi due punti, deve essere costituito da soluzioni tecnologiche sofisticate. 

Con promessa, i progressi raggiunti nella tecnologia solare a livello mondiale hanno reso plausibile la produzione di energia solare basata sullo spazio. Ma prima di approfondire, diamo un’occhiata rapida a cosa significano le soluzioni di energia solare basata sullo spazio e quali sono i loro vantaggi. 

Energia Solare Basata sullo Spazio e i Suoi Vantaggi

Secondo i dati presentati dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ogni ora sulla Terra riceviamo più energia solare di quanta ne possiamo utilizzare in un anno. Quasi il 30% di questa energia ritorna inutilizzata nello spazio a causa dell’atmosfera. Questa energia può essere catturata e utilizzata in modo efficiente se mettiamo in atto meccanismi robusti di energia solare basata sullo spazio. 

In questo sistema, i pannelli solari basati su satellite possono catturare e trasmettere più energia di quella catturata dai pannelli solari posizionati sulla superficie terrestre. Funzionano meglio grazie ai vantaggi di trovarsi nello spazio. Secondo la descrizione del DOE, questi: 

“Satelliti equipaggiati con pannelli solari e trasmettitori di energia raccolgono radiazione solare ad alta intensità e ininterrotta.” 

L’approvvigionamento è ininterrotto perché, nello spazio, non ci sono nuvole né notte. 

La tecnologia prevede il dispiegamento di enormi specchi che riflettono grandi quantità di raggi solari su più piccoli collettori solari, così da poter essere trasmessi senza fili verso la Terra in modo sicuro e controllato, sia come fascio di microonde che come laser. 

Poiché questo processo coinvolge tecnologie sofisticate, attira soluzioni innovative da tutto il mondo. La NASA ha ora pubblicato un rapporto sull’Energia Solare Basata sullo Spazio per dotarsi delle ‘informazioni necessarie a determinare come può supportare lo sviluppo di questo campo di ricerca.’

Il rapporto cerca di valutare i parametri che avrebbero un ruolo cruciale nel rendere l’energia solare basata sullo spazio un’opzione competitiva, dove la destinazione finale sarebbe raggiungere emissioni nette zero di gas serra. 

Alcuni colli di bottiglia tecnologici che la NASA ha identificato per i ricercatori e i tecnologi attivi in questo campo sono i seguenti: 

• Dovranno trovare modi per assemblare e mantenere grandi sistemi in orbita.
• Saranno necessarie ricerche per far operare quei sistemi in modo autonomo e avere una trasmissione di potenza efficiente per portare l’energia raccolta sulla Terra. 
• Il rapporto della NASA sottolinea anche che, prima di mettere in uso i sistemi di energia solare basata sullo spazio, è importante affrontare i costi di lancio e costruzione. Questo perché inviare tutta quella materia nello spazio richiederebbe molte missioni continue per trasportare l’infrastruttura in orbita.

Il rapporto della NASA ritiene che i sistemi di energia solare basata sullo spazio possano diventare pienamente produttivi e operativi entro il 2050. Attraverso il rapporto, sono emersi alcuni dei progressi fondamentali compiuti in questo campo. Ad esempio, ci ha ricordato gli scienziati della JAXA che hanno dimostrato che era possibile trasmettere energia senza fili con precisione come microonde su una distanza notevole per trasformarla infine in elettricità utilizzabile. 

Proseguendo su questa realizzazione, gli scienziati del Caltech, nel marzo 2023, hanno ideato il Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) come il primo veicolo spaziale a trasmettere senza fili l’energia solare raccolta nello spazio verso la Terra.

La NASA ha anche fornito alcune stime sulla fattibilità economica dell’energia solare basata sullo spazio. Alcuni degli esperti legati a lungo a questo settore hanno contestato tali stime. Tuttavia, quasi non ci sono negazioni dei benefici che questo sistema di generazione di energia promette di offrire. Potrebbe aiutare nelle operazioni di soccorso in caso di catastrofi, alimentare sensori remoti e rimuovere i colli di bottiglia esistenti del nostro tradizionale sistema di produzione energetica e della sua catena di approvvigionamento.

Guardando ai suoi benefici, i governi nazionali di tutti i paesi sviluppati hanno iniziato a investire in esso. Grandi entità aziendali che hanno le risorse per investire, come Airbus e Northrop Grumman, hanno anche lavorato incessantemente su di esso. 

Ora esamineremo alcune delle loro realizzazioni nei segmenti a venire. Tuttavia, è necessario tenere presente che è uno spazio in evoluzione e molte delle iniziative sono ancora nella fase di prototipazione.

#1. Airbus Power Beaming

Una delle principali aziende che lavora per avanzare la tecnologia solare al fine di rendere possibili le soluzioni basate sullo spazio è Airbus. La sua tecnologia Power Beaming, sviluppata dal dipartimento Central Research & Technology e dal dipartimento Blue Sky dell’azienda, ha effettuato dimostrazioni credibili di come questo potrebbe cambiare le regole del gioco nella scena della tecnologia solare basata sullo spazio. 

Secondo Jean-Dominique Coste, responsabile dello sviluppo del Power Beaming insieme a Yoann Thueux e ai loro colleghi: 

“Il potenziale della tecnologia è catturare la luce solare e poi trasmetterla senza fili.” 

Questi scienziati credono che questa soluzione energetica possa essere in grado di fornire adeguatamente energia a città, fabbriche, abitazioni e aeroplani.

Gli sviluppatori della tecnologia Airbus hanno dimostrato per la prima volta il Power Beaming presso la X-Works Innovation Factory dell’azienda il 27 settembre 2022. Anche se è stata effettuata su scala più piccola, la dimostrazione ha spiegato sufficientemente cosa è stato necessario per far funzionare il Power Beaming. 

Coste, Thueux e i loro colleghi hanno utilizzato la trasmissione a microonde per trasferire energia verde tra due punti che rappresentavano ‘Spazio’ e ‘Terra’. La distanza tra questi due punti era di 36 metri. La dimostrazione ha anche prodotto idrogeno verde per alimentare una città modello. 

Dopo la dimostrazione, Yoann Thueux ha dichiarato: 

“Ora che abbiamo testato con successo i mattoni chiave di un futuro sistema di energia solare basata sullo spazio su piccola scala per la prima volta, siamo ora pronti a portare il Power Beaming al livello successivo.”

Airbus prevede che questa tecnologia diventerà realtà a breve. Crede che i primi prototipi operativi di Power Beaming saranno disponibili per l’uso entro i primi anni 2030. 

Nella sua forma applicata definitiva, la tecnologia avrebbe un pannello solare posizionato in orbita geostazionaria, a circa 36.000 km sopra la Terra. Questo pannello solare sarà accoppiato con un pannello solare della stessa dimensione sulla Terra. 

L’energia raccolta nello spazio sarebbe trasmessa verso il basso su un’area che avrebbe molte antenne distribuite. Queste antenne catturerebbero i fasci per ricostruire l’energia e produrre elettricità. 

Una volta che questo sistema raggiunge una scala specifica, costerebbe lo stesso produrre energia con esso rispetto ai progetti energetici su larga scala sulla Terra che dipendono da energia nucleare, petrolio o altre fonti rinnovabili. Secondo le stime, una fattoria solare geostazionaria genererebbe fino a due gigawatt di elettricità. 

Il 15 febbraio 2024, Airbus ha pubblicato i risultati dell’intero anno 2023, riportando ricavi annuali di 65,4 miliardi, con un EBIT rettificato di 5,8 miliardi di euro. 

#2. Northrop Grumman

Un’altra importante entità globale che ha completato i test necessari a convalidare le sue capacità di tecnologia solare spaziale è Northrop Grumman. L’azienda ha dimostrato con successo la sua capacità di trasmettere energia a radiofrequenza verso varie antenne dirigendo il fascio. È fiduciosa di realizzare il suo prototipo entro il 2025. 

Questo prototipo dimostrerebbe la capacità dell’azienda di trasmettere energia RF verso il pianeta. La tecnologia è sviluppata da Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR). 

Secondo Tara Theret, direttrice del programma per SSPIDR: 

“Ora, si tratta solo di costruire, testare e integrare il resto dell’hardware in un calendario impegnativo.”

Il lavoro futuro in questo processo include la riduzione delle componenti elettroniche e l’aumento del numero di ‘piastrelle sandwich’. Le piastrelle sandwich sono semplicemente pannelli di celle fotovoltaiche che raccolgono energia solare e trasmettono potenza al livello successivo, con componenti che consentono la conversione solare‑RF e aiutano a formare i fasci. 

L’azienda sta anche producendo l’hardware di volo necessario per assemblare il sistema e lanciarlo sulla piattaforma ESPAStar dell’azienda. La piattaforma ESPAStar è un bus satellitare che fornisce ai carichi utili la propulsione, l’energia, il controllo di assetto e le comunicazioni necessari. 

In una validazione del lavoro svolto, il Laboratorio di Ricerca dell’Aeronautica degli Stati Uniti ha incoraggiato gli sforzi di Northrop Grumman con un contratto da 100 milioni di dollari nel 2018, mediante il quale svilupperebbe un carico utile per dimostrare i componenti chiave del prototipo di sistema di energia solare spaziale. 

Le autorità dell’Aeronautica miravano a catalizzare gli sforzi di sviluppo necessari per costruire un prototipo di sistema basato sullo spazio che potesse alimentare le basi militari statunitensi con energia solare. 

Nel complesso, sottolineando il potenziale che le soluzioni basate sullo spazio nella tecnologia solare hanno per il futuro, Tara Theret ha affermato: 

“La trasmissione di energia solare spaziale ha il potenziale di fornire energia ovunque sulla Terra in qualsiasi momento. Questa tecnologia potrebbe rendere disponibile l’energia in località remote che necessitano di attrezzature mediche e di comunicazione.”

Northrop Grumman ha registrato vendite totali di US$36.6 billion nell’anno conclusosi il 31 dicembre 2022. I ricavi guadagnati dal segmento Space Systems sono stati quasi US$12.3 billion, un notevole aumento rispetto ai US$10.6 billion dell’anno precedente. Dei US$12.3 billion di ricavi guadagnati nel 2022, il 94% proveniva dal governo degli Stati Uniti, mentre il restante 3%, 2% e 1% proveniva rispettivamente da vendite internazionali, vendite ad altri clienti e vendite intersegmenti. 

#3. CESI

CESI, con sede a Milano, Italia, ha tre decenni di esperienza nella ricerca, sviluppo e produzione di celle solari altamente efficienti per applicazioni spaziali. Inoltre, è uno dei fornitori globali più richiesti di celle multi‑giunzione che utilizzano Gallio Arsenico e Indio Gallio Fosfuro. 

CESI dispone di una gamma di celle spaziali a tripla giunzione. Queste celle, oltre a Gallio Arsenico e Indio Gallio Fosfuro, includono anche Germanio. Queste celle si dimostrano efficaci per i satelliti in orbita bassa terrestre e in orbita geostazionaria. Questi prodotti sono anche conformi agli standard ECSS E ST20-08C richiesti. CESI sta ora procedendo al lancio di celle a quattro giunzioni che avranno livelli di efficienza superiori rispetto alle celle a tre giunzioni. 

In futuro, CESI mira a offrire una vasta gamma di prodotti di celle solari spaziali che soddisferanno qualsiasi requisito di programma spaziale. Fino ad oggi, gli sforzi di CESI hanno prodotto più di 200.000 celle solari, alimentando oltre 70 satelliti civili per clienti sparsi in 25 paesi. 

CESI possiede una tecnologia proprietaria per la produzione di celle solari a Milano. Nel corso degli anni, ha costruito una rete stretta e profonda con molte agenzie e attori spaziali internazionali. 

Come Northrop Grumman, CESI collabora anche con il Governo Nazionale Italiano e ha ricevuto finanziamenti dall’Agenzia Spaziale Nazionale Italiana (ASI) e dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Ha prodotto celle solari avanzate per soddisfare le esigenze del Programma Spaziale Europeo e di molte missioni interplanetarie. 

Secondo l’ultima dichiarazione finanziaria disponibile, la società ha guadagnato un fatturato di oltre 87 million Czech crowns nell’anno finanziario conclusosi il 31 dicembre 2022. 

Progressi nella Tecnologia Solare Spaziale: La Strada da Percorrere

La tecnologia solare spaziale ha trovato il suo posto dimostrando il suo valore alla comunità globale, portando i governi nazionali di tutto il mondo a iniziare a investire con grande entusiasmo. Negli Stati Uniti, ciò si è tradotto in azione quando il Naval Research Laboratory ha condotto un esperimento nel 2020 per catturare la luce solare e trasformarla in energia elettrica a corrente continua. Ha utilizzato per questo lo X-37B, l’aereo spaziale dell’Aeronautica. 

Nel frattempo, gli sforzi internazionali stanno guadagnando slancio. Le autorità cinesi hanno fissato obiettivi ambiziosi con il loro piano 2028 per una dimostrazione basata sullo spazio guidata dalla China Academy of Space Technology. In Europa, Solaris si distingue come un programma di ricerca triennale ben finanziato, che ha ricevuto l’approvazione dall’Agenzia Spaziale Europea. Anche il Regno Unito è in gara, poiché ha offerto sovvenzioni per studi sullo sfruttamento dell’energia solare nello spazio. 

È evidente che aziende innovative, grandi e ben fornite organizzazioni globali e governi di tutto il mondo stanno lavorando insieme per catturare e sfruttare l’energia che lo spazio ha da offrire. Con tale energia solare ininterrotta e non utilizzata che attende di essere catturata e sfruttata per il beneficio del pianeta, il futuro sembra davvero promettente.

Clicca qui per un elenco delle prime dieci azioni di energia solare.