Da fantascienza a cielo alto: I pannelli solari in orbita sono un’idea brillante?

Immagina di sfruttare l’energia del sole non solo dalla Terra ma dallo spazio stesso. Questa è l’essenza dell’Energia Solare Spaziale (SSP). 

È un concetto avanzato in cui l’energia solare viene raccolta nell’immensità dello spazio e poi trasmessa verso la Terra. Questo metodo supera le limitazioni terrestri come la notte e le condizioni meteorologiche, garantendo un flusso costante e ininterrotto di energia solare. 

Anche se può sembrare un’idea futuristica, i principi fondamentali alla base dell’SSP sono eterni come il sole stesso.

Per definire l’energia solare spaziale: è una fonte di energia pulita in cui l’energia raccolta dalla luce solare nello spazio viene trasmessa senza fili alla Terra. 

Il Sole, con una durata stimata di 4-5 miliardi di anni, rappresenta una soluzione energetica davvero a lungo termine. Inoltre, l’Energia Solare Spaziale non emette gas serra e non dipende da risorse d’acqua dolce sempre più scarse, terreni agricoli preziosi o fertilizzanti derivati dal gas naturale. 

Non produce nemmeno rifiuti pericolosi e, a differenza delle soluzioni solari tradizionali, rimane invariato dalla copertura nuvolosa, dalle variazioni di luce diurna o dalla velocità del vento.

Le opportunità offerte dall’Energia Solare Spaziale hanno ispirato molte organizzazioni a sviluppare soluzioni attorno ad essa. Alcuni attori di spicco nel mercato dell’energia solare basata sullo spazio includono 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 e altri. 

Ma prima di approfondire la comprensione di come queste aziende e le loro soluzioni funzionano, esaminiamo cosa sono i sistemi di energia solare basati sullo spazio e perché sono considerati validi per la produzione di energia pulita e rinnovabile. 

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La scienza dietro i sistemi di energia solare basati sullo spazio

Gli studi indicano che ogni ora la Terra riceve più energia solare di quanta l’umanità consumi in un intero anno. Curiosamente, l’atmosfera terrestre riflette circa 30% di questa energia solare indietro nello spazio. 

I sistemi di generazione di energia solare spaziale sfruttano l’abbondante energia solare altrimenti persa nello spazio, intatta. Dopo tutto, l’assenza di interferenze atmosferiche come le nuvole e l’esposizione costante alla luce solare senza l’interruzione della notte rendono questi sistemi basati su satellite eccezionalmente efficienti. Possono catturare e trasmettere una quantità di energia notevolmente superiore alla Terra rispetto ai pannelli solari tradizionali.

In questi sistemi di cattura e trasmissione dell’energia solare basati sullo spazio, i satelliti dotati di pannelli possiedono anche capacità di trasmissione dell’energia. Utilizzano grandi specchi per concentrare enormi quantità di raggi solari su piccoli collettori solari. Questa radiazione solare ad alta intensità e ininterrotta viene quindi trasmessa senza fili verso la Terra in modo sicuro e controllato.

La fattibilità dell’Energia Solare Spaziale: Innovazioni Tecniche

La trasmissione dell’energia solare spaziale è diventata fattibile grazie alle recenti innovazioni tecniche. Esistono due tipi di sistemi di trasmissione.

Il primo sono i satelliti solari a trasmissione microonde, mentre l’altro sono i satelliti solari a trasmissione laser. Nei satelliti a trasmissione microonde, la luce solare si riflette sui grandi specchi verso il centro del satellite, dove viene trasformata in energia microonde ininterrotta trasmessa verso la Terra. 

Passando al secondo tipo, i satelliti a trasmissione laser, come suggerisce il nome, utilizzano laser invece di fasci microonde. Questi satelliti operano tipicamente in gruppi con altri satelliti più piccoli, a causa delle loro dimensioni ridotte.

Per quanto riguarda la fattibilità economica di queste due configurazioni, i satelliti solari laser hanno costi di avvio relativamente bassi, nell’intervallo da 500 milioni a 1 miliardo di dollari USA. Il diametro più piccolo del fascio laser lo rende facile ed economico da implementare a terra.

Tuttavia, i satelliti solari microonde sono adatti per catturare e trasmettere energia costante e ininterrotta attraverso pioggia, nuvole e altre condizioni atmosferiche. Possono fornire oltre 1 gigawatt di energia al loro ricevitore terrestre, sufficiente per alimentare una grande città.

Mentre discutiamo di tutti questi progressi, non dobbiamo dimenticare che queste meraviglie tecnologiche non sono state raggiunte in un giorno. Riguarda una lunga tradizione di ricerca scientifica e tecnologica. Per comprendere il potenziale futuro dell’energia solare spaziale, dobbiamo contestualizzarla.

Evoluzione del concetto di energia solare spaziale: Dall’inizio allo stato attuale

Anni 1970:

• I concetti di energia solare spaziale iniziarono a essere studiati negli Stati Uniti.

Anni 1980:

• L’Asia iniziò a studiare i concetti di energia solare spaziale.

Fine anni 1990 – Inizio 2000:

• 1998: Lo Studio di Definizione del Concetto di Energia Solare Spaziale identifica concetti credibili e commercialmente validi di energia solare spaziale e i relativi rischi tecnici e programmatici.

• 1998: L’agenzia spaziale giapponese sviluppa un sistema di energia solare spaziale, che rimane attivo.

• 1999: Viene avviato il Programma di Ricerca Esplorativa e Tecnologica dell’Energia Solare Spaziale della NASA.

Inizio 2010 – 2020

• 2010: L’Organizzazione Indiana per la Ricerca Spaziale inizia le basi per l’energia solare spaziale.

• 2012: La Cina propone uno sviluppo congiunto dell’energia solare spaziale con l’India.

• 2015: Caltech e Northrop Grumman Corporation hanno istituito l’Iniziativa per l’Energia Solare Spaziale, destinando circa 17,5 milioni di dollari USA in tre anni per lo sviluppo di un sistema di energia solare basato sullo spazio.

Anni 2020

• 2022: Il Regno Unito annuncia la sua Iniziativa per l’Energia Spaziale, con l’obiettivo di lanciare la sua prima stazione di energia spaziale entro la metà del 2040 e puntare al 30% della domanda di elettricità da questa fonte.

• 2022: L’Agenzia Spaziale Europea annuncia il programma Solaris, pianificando di operare satelliti di energia solare a partire dal 2030.

• 2023: Il Dimostratore di Energia Solare Spaziale di CalTech (SSPD-1) trasmette con successo potenza rilevabile verso la Terra.

Nel corso di questi anni, vari governi nazionali, dipartimenti di ricerca universitari e organizzazioni finanziate dallo Stato hanno esplorato l’infrastruttura e le possibilità dell’energia solare spaziale.

Contributi significativi provengono anche da imprese e società come Northrop Grumman, Airbus e Solaren Corporation nello sviluppo di questa fonte energetica trasformativa.

Mentre molti di questi programmi di energia solare spaziale provengono da governi nazionali, dipartimenti di ricerca universitari e organizzazioni autonome finanziate dallo Stato, imprese e società come Northrop Grumman, Airbus e Solaren Corporation hanno svolto ruoli cruciali nello sfruttare questa fonte energetica trasformativa. 

Aziende con iniziative trasformative nell’Energia Solare Spaziale

1. Northrop Grumman

Il team del progetto Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) della società con sede a Baltimore, Maryland, Northrop Grumman, sta lavorando per rendere reale la trasmissione di energia solare dallo spazio a qualsiasi punto della Terra. 

Il progetto mira a sfruttare celle fotovoltaiche altamente efficienti in orbita per raccogliere energia solare e convertirla in energia a radiofrequenza (RF) da trasmettere a una stazione di ricezione sulla Terra.

L’azienda è stata leader nello sviluppo di sistemi di array solari chiavi in mano adatti allo spazio. I suoi sottoassiemi fotovoltaici presentano le più recenti tecnologie per saldare o brasare con automazione robotica, collegando le celle solari in circuiti fino a sei piedi di lunghezza.

Le sue Covered Interconnected Cells offrono l’integrazione di celle solari e vetro di copertura per gli assemblaggi CIC.

Produce anche stringhe di celle solari, assemblaggi di schede di isolamento alare resistive per gli ambienti più estremi dello spazio, capaci di operare su un’ampia gamma di temperature (-185 a >300 gradi C), assemblaggi di termometri a resistenza di platino e altro.

Queste innovazioni hanno aiutato le iniziative di Energia Solare Spaziale a progredire rapidamente e a raggiungere il loro potenziale.

Nel 2022, Northrop Grumman ha registrato vendite per 36,6 miliardi di dollari USA e un utile per azione rettificato per transazione di 25,54 dollari USA. L’utile netto dell’azienda è stato quasi 5 miliardi di dollari USA nell’anno fiscale 2022. 

2. Airbus

Un’altra azienda che si è distinta in questo campo è stata Airbus. Le sue soluzioni di trasmissione di energia mirano ad aiutare l’Europa ad accedere a più energie rinnovabili in modo indipendente, con nuove reti energetiche nel cielo che offrono un approvvigionamento di energia sostenibile 24 ore su 24. I primi prototipi operativi di Power Beaming di Airbus potrebbero essere in uso entro i primi anni 2030.

Inoltre, Airbus è anche un importante produttore europeo di array solari, assemblaggi fotovoltaici e assemblaggi di celle solari per applicazioni istituzionali e commerciali. Ha prodotto unità di condizionamento e distribuzione dell’energia per satelliti. Fornisce anche sistemi di propulsione elettrica e una gamma di elettronica per la propulsione elettrica, inclusi unità di controllo e di elaborazione dell’energia necessarie nei sistemi solari spaziali.

Airbus sta anche lavorando alla costruzione di pannelli solari fotovoltaici avanzati, più leggeri, più flessibili e capaci di catturare più energia sulla loro superficie. Il suo programma di punta, Zephyr, è un pseudo-satellitare ad alta quota alimentato esclusivamente dall’energia solare.

Tutto ciò contribuisce notevolmente a far progredire la causa dell’Energia Solare Spaziale a un ritmo più veloce con maggiore efficienza.

Nel FY 2022, Airbus ha registrato ricavi per 58,8 miliardi di euro, con un EBIT rettificato di 5,6 miliardi di euro. Il suo flusso di cassa libero prima di M&A e finanziamenti clienti era di 4,7 miliardi di euro. L’azienda ha proposto un dividendo di 1,80 euro per azione.

3. Solaren Corporation

Un innovatore emergente in questo campo, Solaren Corporation, ha sviluppato metodi per trasmettere elettricità a costi competitivi e a zero emissioni dallo spazio. 

Nei prossimi dieci anni, Solaren svilupperà, lancerà e gestirà il primo impianto SSP e venderà elettricità. Solaren ha anche acquisito brevetti all’avanguardia per sistemi SSP in paesi come gli Stati Uniti, l’Unione Europea, la Cina, il Giappone, l’India, il Canada e la Federazione Russa.

Le soluzioni di Energia Solare Spaziale di Solaren offrono molti vantaggi. Includono una fornitura di energia di base pulita 24/7, competitiva in termini di costi, senza emissioni e priva di radiazioni nucleari. Inoltre, non richiedono acqua per il raffreddamento termico, eliminando il rischio di riscaldamento di oceani, fiumi e laghi.

La soluzione di Energia Solare Spaziale di Solaren ha due componenti: il Satellite di Energia Solare e la Stazione di Ricezione a Terra. Il satellite utilizza array solari e antenna/array RF per catturare e trasmettere. La Stazione di Ricezione a Terra riceve l’energia trasmessa tramite le sue antenne di ricezione.

Nel luglio 2023, Solaren ha annunciato il completamento con successo del suo ultimo round di finanziamento, guidato da Skyseed Ventures. Solaren ha raccolto $2,46 milioni in quel round.

Impatto globale e fattibilità dell’Energia Solare Spaziale

L’avvento di tecnologie altamente avanzate nei sistemi di energia solare basati sullo spazio ha contribuito ad alimentare veicoli spaziali, satelliti, rover e altre infrastrutture spaziali. L’energia solare dallo spazio può aiutare questi sistemi a funzionare per periodi prolungati senza la necessità di rifornimenti frequenti da fonti di energia a bordo.

Le innovazioni hanno ridotto il costo dello sviluppo di razzi riutilizzabili, diminuendo la spesa per il lancio di attrezzature nello spazio. Anche il costo di manutenzione dell’architettura di cattura e trasmissione dell’energia solare basata sullo spazio è diminuito. L’uso crescente di robotica e automazione giocherà un ruolo fondamentale nel ridurre ulteriormente i costi e aumentare l’efficienza.

Secondo le stime, il Nord America domina lo spazio con quasi due quinti del fatturato globale generato dalla regione. Tuttavia, per quanto riguarda i driver di crescita futuri, Cina e India hanno un alto potenziale.

Sfide da superare

In futuro, le soluzioni di energia solare spaziale dovranno superare alcuni colli di bottiglia cruciali. Uno di questi è raggiungere il perfetto equilibrio tra costo di produzione e prestazioni. Le soluzioni a trasmissione laser, meno costose, soffrono della bassa potenza di ciascun satellite, richiedendo diversi satelliti per avere un impatto significativo. Le soluzioni a trasmissione microonde, più costose, possono arrivare a decine di miliardi di dollari in spese di lancio.

Le soluzioni a trasmissione laser, sebbene innovative, possono presentare problemi di sicurezza come l’abbagliamento e il potenziale uso come arma. D’altra parte, le soluzioni a trasmissione microonde, pur evitando questi specifici problemi di sicurezza, richiedono molto spazio, necessitando ricevitori terrestri di diversi chilometri di diametro.

I satelliti a trasmissione laser subiscono anche gli effetti delle irregolarità atmosferiche come nuvole dense o piogge. Le soluzioni a trasmissione microonde, a causa della distanza necessaria dalla Terra, sono praticamente impossibili da riparare.

Tutti questi problemi devono essere adeguatamente affrontati e risolti. Le dimensioni dei satelliti e dei ricevitori terrestri dovranno ridursi drasticamente senza compromettere le loro capacità di cattura e trasmissione dell’energia.

Il costo deve essere moderato affinché i paesi in via di sviluppo siano più fiduciosi nel testare e sperimentare queste tecnologie. Le disposizioni per la riparazione devono essere implementate più vigorosamente, e le soluzioni dovrebbero diventare indipendenti dalle condizioni meteorologiche nella loro performance.

Una strada promettente davanti

Con grandi aziende pubbliche che investono massicciamente nella produzione di prodotti e soluzioni di Energia Solare Spaziale, il futuro appare promettente. L’innovazione prospererà e il sistema diventerà più efficiente e ottimale.

Dopotutto, la forza che guida le missioni di Energia Solare Spaziale a livello globale è la più grande causa per raggiungere la sostenibilità del pianeta attraverso l’energia rinnovabile.

Una volta raggiunto il suo pieno potenziale, l’Energia Solare Spaziale potrebbe fornire elettricità a qualsiasi paese allo stesso costo, senza richiedere nuove spese per la costruzione di linee di trasmissione a lunga distanza.

Gli analisti credono che l’Energia Solare Spaziale possa creare più di 250.000 posti di lavoro permanenti ad alta tecnologia nei prossimi due decenni. In realtà, questo numero potrebbe essere ancora più alto.

Pertanto, le soluzioni di energia solare spaziale continueranno a occupare una quota crescente del mercato globale dell’elettricità, attualmente valutato a 2 trilioni di dollari USA. Con l’espansione del settore, sempre più fornitori di soluzioni si uniranno al movimento SSP. Diventerà un modo economicamente sostenibile per risolvere le sfide energetiche che il pianeta affronta oggi.

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