Energia
Soluzioni Energetiche Basate sullo Spazio per Energia Pulita Infinita
Aggiungi Securities.io alle tue fonti preferite su Google
Spingere le Energie Rinnovabili più in Alto
La spinta a decarbonizzare e elettrificare i nostri sistemi energetici si basa attualmente sulle fonti rinnovabili, in particolare eolico e solare. Anche l’energia geotermica e il nucleare potrebbero contribuire.
Sfortunatamente, ciascuna di queste soluzioni presenta alcune limitazioni:
- La geotermia è ancora piuttosto poco provata quando si tratta di produzione su larga scala e dipende da risorse termiche locali non uniformi.
- Il nucleare è impopolare, produce rifiuti nucleari e richiede ingenti capitali iniziali. Questo ne ostacola l’adozione, anche se la maggior parte di questi problemi potrebbe essere risolta dalla quarta generazione di sistemi nucleari.
- Le rinnovabili soffrono di intermittenza, costringendo le reti elettriche a investire somme ingenti in batterie e altre forme di accumulo energetico.
Per quanto riguarda l’energia solare, l’intermittenza sembra una caratteristica inevitabile, con la Terra al buio per metà del tempo. A peggiorare la situazione, la copertura nuvolosa può ridurre drasticamente la produzione di energia per settimane o addirittura mesi in alcune regioni del mondo, senza nemmeno parlare dei problemi causati da polvere o neve.
E se, per evitare notti e problemi climatici, spostassimo la nostra base solare nello spazio? Come funzionerebbe? E c’è un altro modo per alimentare le civiltà terrestri dallo spazio?
Energia Solare Basata sullo Spazio
La prima caratteristica chiave dell’energia solare spaziale è che, poiché i satelliti di potenza orbitano attorno alla Terra, possono essere posti in un’orbita che non entra mai nell’ombra terrestre, producendo energia 24/7. Questo non solo raddoppia la produzione, ma elimina anche la necessità di batterie per gli impianti solari a terra.
Combinato con l’assenza di riduzione della produzione in inverno o a causa delle nuvole, l’energia solare intermittente si trasforma in quasi una potenza di base perfetta.
Un altro fattore è che l’atmosfera assorbe gran parte della luce solare anche senza nuvole. L’inclinazione della Terra e la sua forma sferica riducono inoltre la quantità di sole che raggiunge il suolo lontano dalla zona equatoriale.
I pannelli solari orbitali non soffrono di nessuna di queste limitazioni. Grazie a tutti questi fattori combinati, un pannello solare in orbita potrebbe produrre fino a 40 volte più di uno a terra.
Come Funziona?
Sappiamo già come produrre energia solare nello spazio, con pannelli solari ad alte prestazioni che già alimentano praticamente tutti i satelliti e la ISS. In teoria, basterebbe inviare in orbita molti più di questi pannelli e rimandare l’energia alla Terra.
Fonte: Solar.com
Sorprendentemente, la parte di rimando dell’energia non è così difficile come si potrebbe immaginare. Il concetto dominante finora è l’uso di microonde (2,45 GHz), che non vengono assorbite dalle nuvole. Le microonde vengono poi assorbite e riconvertite in elettricità grazie a un tipo dedicato di antenna chiamata rettennna.
In alternativa, l’energia potrebbe anche essere trasmessa con laser.
Fonte: ESA – European Space Agency
Rimandare una quantità massiccia di energia verso la superficie terrestre potrebbe suonare un po’ inquietante. Tende a evocare l’immagine di un raggio mortale da supercattivo di fantascienza. Tuttavia, nella pratica, tale raggio sarebbe ricco di energia ma di gran lunga non abbastanza potente da rappresentare un pericolo per la superficie.
Va notato che uno dei vantaggi di questo sistema è che l’energia in corrente continua creata dai pannelli solari può essere usata direttamente per il rimando, con l’energia in corrente alternata generata solo a terra per immettere l’elettricità nella rete.
Perché Ora?
Costi del Solare
Produrre energia da impianti solari orbitali è un’idea vecchia. Ma è solo ora che sembra poter diventare realizzabile.
Il primo motivo è l’aumento dell’efficienza e la diminuzione dei costi dei pannelli solari, gli stessi fattori che ne hanno reso un’opzione valida a terra.
Fonte: News Channel 3
Ulteriori progressi nella tecnologia potrebbero far aumentare ancora l’efficienza di conversione. Attualmente, i pannelli solari comunemente usati a terra hanno un’efficienza nel range 20‑23 %. Quelli usati nello spazio arrivano spesso al 30 %, poiché il costo aggiuntivo è compensato da un peso minore da lanciare in orbita, con ulteriori guadagni attesi.
“I pannelli attualmente usati nello spazio raggiungono efficienze dell’ordine del 30 % nella conversione della luce solare in elettricità, e nei prossimi 20 anni ci aspettiamo che arrivino al 40 %.”
Costi di Lancio
L’altro elefante nella stanza è il crollo dei costi per raggiungere l’orbita, quasi interamente guidato dai risultati di SpaceX con i razzi riutilizzabili. Questo costo è già stato ridotto di un fattore 10 e si prevede continui ulteriori ribassi con il lancio di Starship e la produzione di massa del più grande razzo della storia.
Fonte: Ark Invest
Quando i costi di lancio erano £7.716 per chilogrammo, rappresentavano circa £154 per watt di “costi di installazione”, rispetto a appena £2‑1,5 a terra. Ma se i costi di lancio dovessero scendere abbastanza, l’energia solare spaziale diventa economicamente fattibile. E Elon Musk punta a un mero $100/kg a lungo termine, grazie alla piena riusabilità del massiccio carico di Starship.
Limiti dell’Energia Solare Basata sullo Spazio
Prezzo e Costi di Lancio
Come spiegato sopra, l’energia solare è sostenibile solo se i costi di lancio diminuiscono in modo significativo. Sebbene ciò stia avvenendo, non è chiaro quanto rapidamente si possa ottenere un’ulteriore riduzione di un fattore 10 dei costi di lancio orbitale.
Questo potrebbe ritardare notevolmente l’adozione dell’energia solare spaziale, con la maggior parte dei grandi progetti prototipo (vicini alla scala MW) non attesi prima del 2025‑2030 al meglio. Un impatto significativo non sarà raggiunto prima di costruire sistemi 1.000 volte più grandi a livello GW.
Ingombro Orbitale
Un’altra preoccupazione è la reale durabilità dei pannelli solari in orbita. Lo spazio è un ambiente ostile e ad alta radiazione, e i pannelli si degradano nel tempo. Lo stesso vale per componenti elettronici come l’antenna a microonde.
Inoltre, lo spazio orbitale sta diventando sempre più ingombrato. I detriti spaziali stanno diventando una seria preoccupazione, e le costellazioni di satelliti in Bassa Orbita Terrestre (LEO) stanno crescendo esponenzialmente in numero attorno al nostro pianeta.
Gli impianti solari spaziali avrebbero una superficie di diversi chilometri quadrati, rendendoli soggetti a impatti regolari da detriti spaziali. Anche i micrometeoriti diventeranno un problema se la superficie e il tempo sono sufficienti.
Nel peggior scenario, un grande impatto creerebbe più detriti, i quali a loro volta genererebbero ulteriori detriti, in una cascata catastrofica che distrugge la maggior parte dei satelliti terrestri. Questo è un fenomeno conosciuto come sindrome di Kessler.
Attualmente, la sindrome di Kessler sarebbe già dannosa, compromettendo telecomunicazioni, immagini satellitari e scienza, oltre ai sistemi di allerta precoce per armi nucleari.
Ma se una gran parte dell’energia terrestre fosse fornita da impianti solari orbitali, un tale evento sarebbe ancora più devastante.
Durabilità e Riciclaggio
Tranne se si trovano in un’orbita molto distante, lontano dal LEO, le traiettorie dei satelliti tendono a declinare rapidamente. Perciò gli impianti solari dovranno essere spostati verso orbite più alte, verso le orbite geostazionarie (GEO), aumentando i costi poiché richiedono più capacità di lancio.
Ciò mette anche in dubbio il loro riciclaggio, poiché questi pannelli solari consumeranno molte risorse preziose e non rinnovabili, incluso l’argento.
Quindi, a lungo termine, qualsiasi infrastruttura solare su larga scala dovrà anche padroneggiare il riciclaggio dei pannelli anziché distruggerli mantenendoli in orbita o facendoli ricadere sulla Terra.
Infine, inviare materiale in orbita è molto energivoro. Solo razzi ad alta efficienza renderanno il processo fattibile, permettendo ai pannelli solari orbitali di “ripagare” l’energia usata non solo per la loro fabbricazione ma anche per il loro lancio in orbita.
Perdite Energetiche
Come detto, i pannelli solari nello spazio ricevono molta più energia rispetto a quelli a terra. Tuttavia, devono attraversare diversi passaggi aggiuntivi rispetto ai sistemi basati a terra prima di alimentare la rete:
- Terra: raccogliere la luce solare -> convertire DC in AC -> immettere energia nella rete.
- Spazio: raccogliere la luce solare -> convertire in microonde -> riconvertire le microonde in elettricità -> convertire DC in AC -> immettere energia nella rete.
I molteplici passaggi extra legati al rimando delle microonde causano enormi perdite energetiche, aggiungendosi alla massima efficienza di conversione luce‑solare‑energia del 30‑40 %.
“Il sistema che abbiamo usato nella nostra dimostrazione aveva un’efficienza end‑to‑end di circa il 5 %. Non è qualcosa di operativamente fattibile, anche se la luce solare è gratuita. Perché un impianto solare spaziale abbia senso, l’efficienza dovrebbe essere almeno del 20 %.”
Jean‑Dominique Coste – Senior Manager presso Airbus Blue Sky
Orbite Stabili e Vento Solare
Un’ultima questione è come gestire la traiettoria orbitale degli impianti solari.
I pannelli dovranno costantemente regolare la loro posizione per ricevere la massima esposizione al sole. I fasci di microonde dovranno essere continuamente reindirizzati per colpire l’area giusta della superficie terrestre.
A causa del loro peso leggero e della massima esposizione al sole, i pannelli saranno spinti da “ali solari” e dalla luce. Infatti, questa pressione della luce è stata considerata per creare vele solari che propulsino astronavi.
Nel contesto di un impianto solare orbitale che deve rimanere stabile, questo potrebbe diventare un problema.
Prospettive Generali del Fotovoltaico Spaziale
Gran parte del futuro dell’energia solare basata sullo spazio dipenderà dallo sviluppo dell’industria spaziale nel suo complesso. Alcuni fattori chiave dovranno allinearsi per renderlo possibile:
- La crescita dell’industria consentirà scala e innovazione per ridurre i costi di lancio ai livelli richiesti.
- Sviluppo di un’economia industriale orbitale e/o cislunare, almeno per la manutenzione e il riciclaggio dei satelliti di potenza.
- Gestione adeguata dei detriti spaziali e mantenimento dell’orbita come zona neutra e pacifica.
Alternativa al Solare Fotovoltaico Spaziale
Solare Concentrato e Specchi Orbitali
La catena luce -> energia -> microonde -> ritorno al sistema energetico comporta intrinsecamente enormi perdite, che compensano parzialmente la maggiore produzione solare dallo spazio.
Questa è una critica centrale del concetto, anche abbracciata da nessun altro se non Elon Musk già nel 2012
“Vi racconto uno dei miei progetti preferiti: energia solare spaziale. Ok, la cosa più stupida di sempre.
E se qualcuno dovesse pensare, dovrebbe amare l’energia solare spaziale, dovrebbe essere io. Ho una compagnia di razzi e una di pannelli solari. Dovrei davvero occuparmene, sapete.”
Ovviamente molto è cambiato dal 2012. I prezzi dei pannelli solari e i costi di lancio sono crollati. E la necessità di una generazione di energia di base rinnovabile è molto più grande.
Tuttavia, potrebbe esistere un’alternativa: riflettere direttamente la luce solare invece di catturarla con pannelli fotovoltaici. Questo potrebbe essere realizzato posizionando un gigantesco specchio in orbita.
Un vantaggio di questo metodo è che sappiamo come costruire specchi ultraleggeri e ultra‑sottili nello spazio, usando fogli di alluminio. Poiché il materiale deve solo essere riflettente senza componenti elettronici, può risultare molto più economico e leggero per metro quadrato rispetto a una cella fotovoltaica.
L’idea è sostenuta in particolare da Ben Nowack, fondatore di Reflect Orbital, dal gruppo SOLSPACE dell’Università di Glasgow (con una sovvenzione di €2,5 M del Consiglio Europeo per la Ricerca), e dal gigante energetico Laborelec di Engie.
L’idea è alimentare i parchi solari a terra durante la notte dirigendo la luce solare verso di essi. Quindi, il modello di business sarebbe “vendere” luce solare alle utility solari terrestri.
Un tale sistema non potrebbe attraversare la copertura nuvolosa, ma potrebbe essere un’ottima opzione per i parchi solari installati in aree secche o desertiche.
Potenzialmente, il concetto potrebbe anche potenziare gli impianti fotovoltaici spaziali “classici”, aumentando a basso costo l’energia totale che ricevono prima di rimandarla verso la Terra.
Nel 2018, la Cina ha annunciato piani per usare un sistema di specchi per sostituire l’illuminazione stradale notturna entro il 2022. Sebbene ciò non sia stato realizzato, potrebbe rappresentare un modo creativo di usare il “solare” spaziale per ridurre il consumo energetico notturno quando le rinnovabili producono poco.
Fabbriche Spaziali
Come spiegato sopra, un costo maggiore dell’energia solare spaziale è la necessità di inviare centinaia o migliaia di tonnellate di materiale in orbita. Una soluzione a questo problema sarebbe produrre direttamente i pannelli solari (o gli specchi) nello spazio, usando le risorse già presenti sul posto.
Questo metodo rimuoverebbe completamente dall’equazione il costo di sollevare l’impianto solare in orbita. Invece, lo sostituirebbe con il costo di inviare solo le attrezzature necessarie per creare una fabbrica di pannelli solari (o specchi) nello spazio.
Un modo per farlo sarebbe catturare asteroidi con le risorse giuste, estrarli e produrre direttamente l’impianto di potenza in orbita.
Concettualmente sensato, è comunque molto speculativo, poiché nessuna forma di estrazione mineraria di asteroidi è stata ancora realizzata.
Base Lunare
Anche se gli impianti solari fossero prodotti nello spazio, i problemi di bilanciare gli impatti del vento solare da detriti spaziali e il riciclaggio rimarrebbero.
Un’alternativa sarebbe installare le stazioni solari sulla Luna. L’energia verrebbe raccolta da enormi fattorie solari costruite sulla Luna e poi rimandata direttamente o indirettamente alla Terra. I fasci di microonde dalla Luna possono anche essere reindirizzati da specchi, poiché i metalli riflettono le microonde.
Fonte: Arizona State University
Rispetto ai satelliti solari in LEO e GEO, questo presenta alcuni vantaggi:
- Gravità: con 1/6 della gravità terrestre, la Luna potrebbe essere molto più amichevole per adattare i processi di produzione terrestri allo spazio rispetto a ambienti completamente senza peso.
- Perfetta per il solare: senza atmosfera, la superficie lunare non soffre mai di vento, nuvole, nebbia, ghiaccio, tempeste di polvere, grandine, ecc. Quindi la produzione energetica sarà altamente affidabile e prevedibile.
- Manutenzione umana: i sistemi orbitali dovrebbero fare affidamento interamente su robot per assemblaggio, manutenzione e riciclaggio. Invece, i piani imminenti per basi lunari da parte di USA e Cina+Russia fornirebbero la manodopera locale quando i robot non fossero sufficienti.
- Risorse: la Luna è un corpo celeste massiccio, probabilmente ricco di risorse. Questo la rende un candidato migliore per una fabbrica spaziale rispetto all’idea non provata dell’estrazione mineraria di asteroidi.
Silicio, alluminio e ferro possono essere estratti chimicamente dal suolo lunare per la fabbricazione di celle solari. Tracce di elementi possono essere portate dalla Terra per drogare le celle solari.
Si stima che un chilogrammo di materiali trasportato dalla Terra alla Luna produrrebbe 200 volte più energia elettrica per la Terra rispetto a un chilogrammo di un satellite solare.
Tuttavia, l’idea presenta alcune limitazioni.
In particolare, la Luna ha un ciclo giorno/notte di 28 giorni, costringendo un concetto del genere a fare affidamento su una successione di impianti distribuiti su tutta la superficie lunare (o specchi orbitali) per produrre un output continuo.
Elio‑3, Fusione e Impianti Energetici Lunari
Un’altra discussione sul futuro energetico legata alla Luna riguarda il suo deposito di Elio‑3. L’elemento molto raro sulla Terra potrebbe teoricamente alimentare una forma ultra‑efficiente di fusione nucleare.
In teoria, ciò potrebbe rendere l’esplorazione spaziale e l’estrazione mineraria una caratteristica chiave del nostro futuro approvvigionamento energetico. In pratica, la fusione è ancora a uno stadio sperimentale.
Fonti simili di isotopi rari di idrogeno, elio e altri elementi, per esempio nei giganti gassosi Giove e Saturno, potrebbero svolgere un ruolo analogo a lungo termine.
La Luna potrebbe anche essere immaginata come sito per un potenziale sistema energetico pericoloso ma altamente produttivo (in particolare nucleare), rimuovendo le conseguenze di un fallimento catastrofico dalla Terra. Tuttavia, le perdite energetiche nel rimando di una tale fonte di potenza, così come i costi di costruzione nello spazio, potrebbero renderla non redditizia.
Società di Energia Solare Spaziale
1. Space Solar
Space Solar è una società britannica che mira a sviluppare un satellite solare spaziale da 2 GW, CASSIOPeiA. Sarebbe di gran lunga una delle strutture più grandi mai costruite dall’umanità, rendendo alcuni dei grattacieli più alti minuscoli in confronto.
Fonte: Space Solar
CASSIOPeiA conterrebbe 60.000 pannelli solari, peserebbe 2.000 tonnellate e orbiterà a quota geostazionaria.
La trasmissione di potenza avverrà usando un array a fase variabile per puntare il fascio energetico. La stazione a terra dovrà avere un diametro di 5 km. La tecnologia di rimando dell’energia è stata finora dimostrata sulla Terra, con 30 kW di potenza. Questo è stato realizzato grazie a HARRIER, la prima trasmissione wireless a 360 ° che non richiede parti mobili, un fattore chiave per alta affidabilità.
Il concetto del satellite di potenza si baserebbe su 2 riflettori solari che rimandano la luce solare al segmento centrale del collettore.
Fonte: Space Solar
Il programma dovrebbe costare £17 M per la prima versione, con un costo di £3,6 M per le iterazioni successive. Questo lo porterebbe a 1/4 del costo di una centrale nucleare equivalente da 2 GW, un confronto equo, considerando il profilo di base della centrale.
2. Reflect Orbital
Come menzionato sopra, Reflect Orbital non intende generare energia in orbita. Invece, il suo business mira a “vendere” la luce solare dopo il tramonto alle società solari a terra.
Con i prezzi di picco spesso subito dopo il tramonto, quando le persone sono a casa ma le rinnovabili sono offline, questa può essere una buona strategia. Inoltre, il fascio solare del satellite può essere facilmente reindirizzato verso diverse località, consentendo arbitraggio tra prezzi diversi tra paesi o condizioni meteorologiche avverse in una zona.
Ciò lo rende un’azienda interessante da seguire nel caso in cui, infatti, la conversione della luce solare in elettricità, poi in microonde, poi nuovamente in elettricità, si rivelasse un processo troppo inefficiente per competere con il solare a terra.
Al momento, l’azienda sta sviluppando i suoi satelliti e raccogliendo fondi. Per spiegare meglio il concetto, hanno anche realizzato una demo usando un pallone aerostatico a 3 km di altezza che è diventata virale.
Fonte: Reflect Orbital
L’azienda prevede di testare un prototipo entro il 2025. Il satellite peserebbe solo 35 libbre (16 kg) ciascuno e sarebbe dotato di specchi in mylar di 33 piedi per 33 piedi (9,9 m per 9,9 m) di dimensione, che si aprirebbero una volta in orbita.
I piani di Reflect Orbital potrebbero essere meno high‑tech rispetto a una rete completa di satelliti solari orbitali o lunari. Ma forse questo potrebbe essere un punto di forza, poiché utilizza essenzialmente solo tecnologie già note in modo creativo, padroneggiate da decenni. Questo potrebbe ridurre in parte il rischio del progetto.
