Energia
Innovazioni nella tecnologia solare che rendono plausibili le soluzioni basate sullo spazio
Da molto tempo, è in corso una vasta ricerca su come catturare e utilizzare l’energia solare nello spazio. Scienziati e tecnologi ritengono che l’energia solare nello spazio potrebbe essere un’aggiunta efficiente alle fonti di energia sostenibili disponibili.
Funzionalmente, l’impostazione avrebbe pannelli di raccolta e raccolta di energia a livelli orbitali, che trasmetteranno l’energia solare ai loro omologhi di ricezione posizionati sulla 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.
Promettentemente, i progressi raggiunti nella tecnologia solare in tutto il mondo hanno reso la produzione di energia solare nello spazio plausibile. Ma prima di addentrarci più a fondo in essi, diamo un’occhiata rapida a cosa significano le soluzioni di energia solare nello spazio e quali sono i loro vantaggi.
Energia solare nello 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 torna inutilizzata nello spazio attraverso l’atmosfera. Questa energia può essere catturata e utilizzata in modo efficiente se mettiamo in atto meccanismi robusti di energia solare nello spazio.
In questo sistema, i pannelli solari satellitari possono catturare e trasmettere più energia di quanta ne venga catturata dai pannelli solari posizionati sulla superficie della Terra. Funzionano meglio a causa dei vantaggi che hanno di essere nello spazio. Secondo la descrizione della DEA, questi:
“I satelliti dotati di pannelli solari, che trasmettono energia, raccolgono radiazione solare ad alta intensità e ininterrotta.”
La fornitura è ininterrotta perché nello spazio non ci sono nuvole e non c’è notte.
La tecnologia prevede il dispiegamento di enormi specchi che riflettono grandi quantità di raggi solari su più piccoli collettori solari in modo che possano essere trasmessi wireless sulla Terra in modo sicuro e controllato come un raggio microonde o laser.
Poiché questo processo coinvolge tecnologie sofisticate, attira soluzioni innovative da tutto il mondo. La NASA ha ora pubblicato un rapporto sull’energia solare nello spazio per dotarsi delle ‘informazioni necessarie per determinare come può sostenere lo sviluppo di questo campo di ricerca.’
Il rapporto cerca di valutare i parametri che avrebbero un ruolo cruciale nel rendere l’energia solare nello spazio un’opzione competitiva, dove la destinazione finale sarebbe raggiungere le emissioni nette di gas serra zero.
Alcuni colli di bottiglia tecnologici che la NASA ha identificato per i ricercatori e i tecnologi attivi in questo campo da lavorare sono i seguenti:
- Dovrebbero trovare modi per assemblare e mantenere grandi sistemi in orbita.
- La ricerca sarebbe necessaria per far funzionare questi sistemi in modo autonomo e avere un efficiente trasferimento di energia per portare l’energia raccolta sulla Terra.
- Il rapporto della NASA sottolinea anche che prima di mettere in uso i sistemi di energia solare nello spazio, è importante affrontare i costi di lancio e costruzione. Ciò perché inviare tutto quel materiale nello spazio richiederebbe molte missioni continue per trasportare l’infrastruttura in orbita.
Il rapporto della NASA ritiene che i sistemi di energia solare nello spazio potrebbero diventare completamente produttivi e operativi entro il 2050. Attraverso il rapporto, alcuni dei progressi significativi realizzati in questo campo sono venuti alla luce. Ad esempio, ha ricordato ai ricercatori della JAXA che hanno dimostrato che era possibile trasmettere energia wireless con precisione come microonde attraverso una distanza notevole per trasformarla infine in elettricità utilizzabile.
Portando avanti il succo di questo risultato, gli scienziati del Caltech, nel marzo 2023, hanno presentato il Dimostratore di energia solare spaziale (SSPD-1) come il primo veicolo spaziale a trasmettere energia solare raccolta nello spazio sulla Terra.
La NASA ha anche offerto alcune stime sulla fattibilità economica dell’energia solare nello spazio. Alcuni degli esperti intimamente legati a questo settore da lungo tempo hanno contestato queste stime. Tuttavia, non c’è stato quasi alcun diniego dei benefici che questo sistema di generazione di energia promette di offrire. Potrebbe aiutare nel soccorso in caso di disastri, alimentare sensori remoti e rimuovere gli ostacoli esistenti del nostro sistema di produzione di energia tradizionale e della sua catena di approvvigionamento.
Guardando i 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 su di esso senza sosta.
Ora esamineremo alcuni dei loro risultati nei segmenti successivi. Tuttavia, è necessario tenere presente che si tratta di 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 e rendere possibili le soluzioni basate sullo spazio è Airbus. La sua tecnologia Power Beaming, sviluppata dal dipartimento di Ricerca e Tecnologia Centrale e dai dipartimenti Blue Sky, ha fatto dimostrazioni credibili di come questo potrebbe essere un fattore di cambiamento nella scena della tecnologia solare nello spazio.
Secondo Jean-Dominique Coste, che è responsabile dello sviluppo di Power Beaming insieme a Yoann Thueux e ai loro colleghi:
“Il potenziale di questa tecnologia è catturare la luce solare e poi trasmetterla wireless.”
Questi scienziati ritengono che questa soluzione energetica potrebbe essere in grado di fornire adeguatamente energia a città, fabbriche, nuclei familiari e aerei con elettricità.
Gli sviluppatori di tecnologia di Airbus hanno dimostrato per la prima volta Power Beaming presso la fabbrica di innovazione X-Works il 27 settembre 2022. Anche se è stato eseguito su scala ridotta, la dimostrazione ha potuto spiegare sufficientemente cosa serviva per far funzionare il power beaming.
Coste, Thueux e i loro colleghi hanno utilizzato il trasferimento di energia a microonde per trasmettere 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 fine della dimostrazione, Yoann Thueux ha detto:
“Ora che abbiamo testato con successo i mattoni fondamentali di un futuro sistema di energia solare nello spazio su scala ridotta per la prima volta, siamo pronti a portare Power Beaming al livello successivo.”
Airbus si aspetta che questa tecnologia diventi realtà a breve. Ritiene che i primi prototipi operativi di Power Beaming saranno disponibili per l’uso all’inizio degli anni ’30.
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 abbinato a un pannello solare della stessa dimensione sulla Terra.
L’energia raccolta nello spazio verrebbe trasmessa verso un’area che avrebbe molti antennae sparsi. Queste antennae raccoglierebbero i raggi per l’energia da essere riasssemblata per produrre elettricità.
Una volta che questo sistema raggiunge una scala specifica, costerebbe lo stesso produrre energia con esso come costa nei grandi progetti di energia sulla Terra che dipendono dal potere nucleare, petrolio o altre fonti di energia rinnovabile. Secondo le stime, una sola fattoria solare geostazionaria genererebbe fino a due gigawatt di elettricità.
Il 15 febbraio 2024, Airbus ha pubblicato i risultati annuali completi del 2023, con ricavi annuali di 65,4 miliardi, con un EBIT aggiustato di 5,8 miliardi di euro.
#2. Northrop Grumman
Un’altra grande entità globale che ha completato i test necessari per convalidare le sue capacità tecnologiche solari nello spazio è Northrop Grumman. L’azienda ha dimostrato con successo la sua capacità di trasmettere energia a frequenza radio verso varie antennae dirigendo il raggio. È fiduciosa nel presentare il suo prototipo entro il 2025.
Questo prototipo esibirà 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, il direttore del programma per SSPIDR:
“Ora, è solo costruire, testare e integrare il resto del hardware in un calendario impegnativo.”
Ulteriori lavori da eseguire in questo processo includono la riduzione delle dimensioni dei componenti elettronici e l’aumento del numero di ‘piastrelle a sandwich’. Le piastrelle a sandwich non sono altro che pannelli di celle fotovoltaiche che raccolgono energia solare e trasmettono energia al livello successivo, che hanno componenti che consentono la conversione solare-RF e aiutano a formare i raggi.
L’azienda sta anche producendo il necessario hardware di volo per assemblare il sistema e lanciarlo sulla piattaforma ESPAStar dell’azienda. La piattaforma ESPAStar è un autobus satellitare che consente ai carichi di utilizzare la propulsione, l’alimentazione, il controllo dell’assetto e la comunicazione necessari.
In una convalida del lavoro che ha svolto, il laboratorio di ricerca della US Air Force ha incoraggiato gli sforzi di Northrop Grumman con un contratto da 100 milioni di dollari nel 2018, con cui avrebbe sviluppato un carico utile per dimostrare i componenti chiave del prototipo del sistema di energia solare nello spazio.
Le autorità dell’Aeronautica miravano a catalizzare gli sforzi di sviluppo necessari per costruire un prototipo di sistema di energia solare nello spazio che potesse alimentare le basi militari statunitensi con energia solare.
Nel complesso, indicando il potenziale che le soluzioni basate sullo spazio nella tecnologia solare hanno per il futuro, Tara Theret ha detto:
“La trasmissione di energia solare nello spazio ha il potenziale di fornire energia ovunque sulla Terra in qualsiasi momento. Questa tecnologia potrebbe rendere l’energia disponibile per le località remote che necessitano di attrezzature mediche e di comunicazione.”
(NOC )
Northrop Grumman ha registrato vendite totali di 36,6 miliardi di dollari nell’anno chiuso il 31 dicembre 2022. I ricavi derivanti dal flusso di sistemi spaziali sono stati di circa 12,3 miliardi di dollari, un aumento significativo rispetto ai 10,6 miliardi di dollari dell’anno precedente. Dei 12,3 miliardi di dollari di ricavi realizzati nel 2022, il 94% proveniva dal governo degli Stati Uniti, mentre il restante 3%, 2% e 1% provenivano da vendite internazionali, vendite ad altri clienti e vendite intersettoriali, rispettivamente.
#3. CESI
CESI, con sede a Milano, Italia, ha tre decenni di esperienza nella conduzione di ricerche, sviluppo e produzione di celle solari ad alta efficienza per applicazioni spaziali. Ancor più importante, è uno dei principali fornitori globali di celle a giunzione multipla che utilizzano Arseniuro di Gallio e Fosfuro di Indio e Gallio.
CESI ha una gamma di celle spaziali a triplo giunzione. Queste celle, oltre ad Arseniuro di Gallio e Fosfuro di Indio e Gallio, includono anche Germanio. Queste celle si dimostrano efficaci per satelliti in orbita terrestre bassa e geostazionaria. Questi prodotti sono anche conformi agli standard ECSS E ST20-08C richiesti. CESI sta ora per lanciare celle a quattro giunzioni che avranno livelli di efficienza più elevati delle celle a tre giunzioni.
In futuro, CESI mira a offrire una vasta gamma di prodotti per celle solari spaziali che soddisfino qualsiasi requisito del programma spaziale. Ad oggi, gli sforzi di CESI hanno portato a oltre 200.000 celle solari, alimentando oltre 70 satelliti civili per clienti distribuiti in 25 paesi.
CESI ha la sua tecnologia proprietaria per la produzione di celle solari a Milano. Nel corso degli anni, ha costruito una rete strettamente intrecciata e profonda con molte agenzie spaziali internazionali e attori.
Come Northrop Grumman, CESI lavora anche con il governo nazionale italiano e ha ricevuto finanziamenti dall’Agenzia Spaziale 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 divulgazione finanziaria disponibile, l’azienda ha realizzato un fatturato di oltre 87 milioni di corone ceche nell’anno fiscale chiuso il 31 dicembre 2022.
Progressi nella tecnologia solare spaziale: la strada verso il futuro
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 in essa 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 diretta. Ha utilizzato l’aereo spaziale X-37B dell’Aeronautica per questo scopo.
Nel frattempo, gli sforzi internazionali stanno guadagnando slancio. Le autorità cinesi hanno stabilito obiettivi ambiziosi con il loro piano del 2028 per una dimostrazione spaziale guidata dall’Accademia cinese della tecnologia spaziale. In Europa, Solaris si distingue come un programma di ricerca ben finanziato di tre anni, avendo ricevuto il via libera dall’Agenzia Spaziale Europea. Il Regno Unito è anche in gara, poiché ha offerto sovvenzioni per studi sull’uso dell’energia solare nello spazio.
Evidentemente, aziende innovative, grandi e risorse globali e governi di tutto il mondo stanno lavorando insieme per catturare e sfruttare l’energia che lo spazio ha da offrire. Con un’energia solare ininterrotta e inutilizzata in attesa di essere sfruttata e utilizzata a beneficio del pianeta, il futuro sembra davvero promettente.
