Avanços na Tecnologia Solar Tornando Soluções Baseadas no Espaço Viáveis

Há bastante tempo, pesquisas extensas sobre maneiras de capturar e utilizar energia solar baseada no espaço estão em andamento. Cientistas e especialistas em tecnologia acreditam que a energia solar baseada no espaço pode ser uma adição eficiente ao conjunto disponível de fontes de energia sustentável.

Funcionalmente, o sistema teria painéis de coleta e aproveitamento de energia em níveis orbitais, que transmitiriam a energia solar de volta para suas contrapartes receptoras posicionadas na Terra. E como envolve o espaço, o planeta Terra e a rota de transmissão entre esses dois pontos, ele precisa ser constituído por soluções tecnológicas sofisticadas.

Promissoramente, os avanços alcançados na tecnologia solar em todo o mundo têm tornado a produção de energia solar baseada no espaço plausível. Mas antes de nos aprofundarmos neles, vamos dar uma rápida olhada no que significam as soluções de energia solar baseada no espaço e quais são suas vantagens.

Energia Solar Baseada no Espaço e Suas Vantagens

De acordo com dados apresentados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a cada hora na Terra, recebemos mais energia solar do que podemos usar em um ano. Cerca de 30% dessa energia retorna ao espaço sem ser utilizada pela atmosfera. Essa energia pode ser capturada e usada de forma eficiente se implementarmos mecanismos robustos de energia solar baseada no espaço.

Neste sistema, painéis solares baseados em satélites podem capturar e transmitir mais energia do que os painéis solares instalados na superfície da Terra. Eles apresentam melhor desempenho devido às vantagens de estar no espaço. De acordo com a descrição da DEA, estes:

Satélites equipados com painéis solares e transmissores de energia coletam radiação solar de alta intensidade e ininterrupta.

O fornecimento é ininterrupto porque, no espaço, não há nuvens nem noite.

A tecnologia envolve a implantação de espelhos gigantes que refletem enormes quantidades de raios solares em coletores solares menores, permitindo que sejam transmitidos sem fio para a Terra de forma segura e controlada, seja como feixe de micro-ondas ou laser.

Como esse processo envolve tecnologia sofisticada, atrai soluções inovadoras de todo o mundo. A NASA agora publicou um relatório sobre Energia Solar Baseada no Espaço para equipar-se com as ‘informações necessárias para determinar como pode apoiar o desenvolvimento desta área de pesquisa.’

O relatório tenta avaliar os parâmetros que desempenhariam um papel crucial em tornar a energia solar baseada no espaço uma opção competitiva, cujo objetivo final seria alcançar emissões líquidas zero de gases de efeito estufa.

Alguns gargalos tecnológicos que a NASA identificou para que pesquisadores e tecnólogos ativos nesta área trabalhem são os seguintes:

• Eles precisarão encontrar maneiras de montar e manter grandes sistemas em órbita.
• Será necessária pesquisa para que esses sistemas operem autonomamente e tenham transmissão de energia eficiente para levar a energia colhida à Terra.
• O relatório da NASA também enfatiza que, antes de colocar os sistemas de energia solar baseada no espaço em uso, é importante enfrentar os custos de lançamento e construção. Isso porque enviar todo esse material ao espaço exigiria muitas missões contínuas para transportar a infraestrutura à órbita.

O relatório da NASA acredita que os sistemas de energia solar baseada no espaço podem se tornar totalmente produtivos e operacionais até 2050. Por meio do relatório, alguns dos avanços marcantes feitos nesta área vieram à luz. Por exemplo, ele nos lembrou dos cientistas da JAXA que provaram ser possível transmitir energia sem fio com precisão como micro-ondas através de uma distância considerável, transformando-a finalmente em eletricidade utilizável.

Continuando a essência dessa conquista, cientistas da Caltech, em março de 2023, criaram o Demonstrador de Energia Solar Espacial (SSPD-1) como a primeira espaçonave a transmitir energia solar colhida no espaço para a Terra sem fio.

A NASA também apresentou algumas estimativas sobre a viabilidade econômica da energia solar baseada no espaço. Alguns dos especialistas ligados a essa área há muito tempo também contestaram essas estimativas. No entanto, quase não há negação dos benefícios que esse sistema de geração de energia promete oferecer. Ele poderia ajudar em ajuda humanitária em desastres, alimentar sensores remotos e eliminar os gargalos existentes em nosso sistema tradicional de produção de energia e sua cadeia de suprimentos.

Observando seus benefícios, governos nacionais de todos os países desenvolvidos começaram a investir nele. Grandes empresas que têm recursos para investir, como Airbus e Northrop Grumman, também têm trabalhado incansavelmente nisso.

Agora veremos algumas de suas conquistas nos segmentos a seguir. No entanto, é preciso ter em mente que é um campo em evolução e muitas das iniciativas ainda estão na fase de prototipagem.

#1. Airbus Power Beaming

Uma das principais empresas que trabalha no avanço da tecnologia solar para tornar as soluções baseadas no espaço possíveis é Airbus. Sua tecnologia Power Beaming, desenvolvida pelos departamentos Central Research & Technology e Blue Sky da empresa, realizou demonstrações credíveis de como isso pode ser um divisor de águas no cenário da tecnologia solar baseada no espaço.

De acordo com Jean-Dominique Coste, responsável pelo desenvolvimento do Power Beaming junto com Yoann Thueux e seus colegas:

O potencial da tecnologia é capturar a luz solar e então transmiti-la sem fio.

Esses cientistas acreditam que essa solução energética poderia ser capaz de suprir adequadamente energia para cidades, fábricas, residências e aviões.

Os desenvolvedores da tecnologia da Airbus demonstraram o Power Beaming pela primeira vez na X-Works Innovation Factory da empresa em 27 de setembro de 2022. Embora tenha sido realizado em escala menor, a demonstração explicou suficientemente o que foi necessário para fazer o power beaming funcionar.

Coste, Thueux e seus colegas usaram transmissão por micro-ondas para enviar energia verde entre dois pontos que representavam ‘Espaço’ e ‘Terra’. A distância entre esses dois pontos era de 36 metros. A demonstração também produziu hidrogênio verde para alimentar uma cidade modelo.

Depois que a demonstração terminou, Yoann Thueux disse:

Agora que testamos com sucesso os blocos‑chave de um futuro sistema de energia solar baseada no espaço em pequena escala pela primeira vez, estamos prontos para levar o Power Beaming ao próximo nível.

A Airbus espera que essa tecnologia se torne realidade em breve. Acredita que os primeiros protótipos operacionais de Power Beaming estarão disponíveis para uso no início da década de 2030.

Em sua forma aplicada definitiva, a tecnologia teria um painel solar colocado em órbita geoestacionária, cerca de 36.000 km acima da Terra. Esse painel solar seria emparelhado com um painel solar de mesmo tamanho na Terra.

A energia coletada no espaço seria transmitida para baixo sobre uma área que teria muitas antenas distribuídas. Essas antenas captariam os feixes de energia para ser recombinada e produzir eletricidade.

Quando esse sistema atingir uma escala específica, custaria o mesmo produzir energia com ele como nos projetos de energia em grande escala na Terra que dependem de energia nuclear, petróleo ou outras fontes renováveis. Segundo estimativas, uma fazenda solar geoestacionária geraria até dois gigawatts de eletricidade.

Em 15 de fevereiro de 2024, Airbus publicou seus resultados do ano fiscal de 2023, reportando receitas anuais de 65,4 bilhões, com um EBIT ajustado de 5,8 bilhões de euros.

#2. Northrop Grumman

Outra importante entidade global que completou os testes necessários para validar suas capacidades de tecnologia solar espacial é Northrop Grumman. A empresa demonstrou com sucesso sua capacidade de direcionar energia de radiofrequência para várias antenas ao orientar o feixe. Está confiante em desenvolver seu protótipo até 2025.

Esse protótipo exibiria a capacidade da empresa de transmitir energia RF para o planeta. A tecnologia é desenvolvida pelo Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR) da Northrop Grumman.

De acordo com Tara Theret, diretora do programa SSPIDR:

Agora, é apenas construir, testar e integrar o restante do hardware em um cronograma desafiador.

O trabalho adicional a ser feito nesse processo inclui reduzir o tamanho dos componentes eletrônicos e ampliar o número de ‘azulejos sanduíche’. Os azulejos sanduíche são basicamente painéis de células fotovoltaicas que coletam energia solar e transmitem potência para a camada seguinte, contendo componentes que permitem a conversão de solar para RF e ajudam a formar os feixes.

A empresa também está fabricando o hardware de voo necessário para montar o sistema e lançá-lo na plataforma ESPAStar da companhia. A plataforma ESPAStar é um barramento de satélite que fornece aos payloads propulsão, energia, controle de atitude e comunicação necessários.

Em uma validação do trabalho que tem realizado, o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA incentivou os esforços da Northrop Grumman com um contrato de US$100 milhões em 2018, para desenvolver um payload que demonstrasse os componentes‑chave do protótipo de sistema de energia solar espacial.

As autoridades da Força Aérea visavam catalisar os esforços de desenvolvimento necessários para construir um protótipo de sistema baseado no espaço que pudesse energizar as bases militares dos EUA com energia solar.

No geral, ao apontar o potencial que as soluções baseadas no espaço na tecnologia solar têm para o futuro, Tara Theret disse:

A transmissão de energia solar espacial tem o potencial de fornecer energia em qualquer lugar da Terra a qualquer momento. Essa tecnologia poderia disponibilizar energia para locais remotos que precisam de equipamentos médicos e de comunicação.

Northrop Grumman registrou vendas totais de US$36,6 bilhões no ano que terminou em 31 de dezembro de 2022. A receita obtida da divisão Space Systems foi próxima a US$12,3 bilhões, um aumento notável em relação aos US$10,6 bilhões do ano anterior. Dos US$12,3 bilhões de receita obtidos em 2022, 94% vieram do governo dos EUA, enquanto os restantes 3%, 2% e 1% vieram de vendas internacionais, vendas para outros clientes e vendas intersegmentos, respectivamente.

#3. CESI

A CESI, com sede em Milão, Itália, possui três décadas de experiência em conduzir pesquisas, desenvolver e produzir células solares altamente eficientes para aplicações espaciais. Mais importante ainda, é um dos fornecedores globais mais procurados de células de múltiplas junções que utilizam Gálio Arsênico e Índio Gálio Fosfeto.

A CESI possui uma gama de células espaciais de três junções. Essas células, além de Gálio Arsênico e Índio Gálio Fosfeto, também incluem Germânio. Elas se mostram eficazes para satélites em Órbita Terrestre Baixa e Órbita Geoestacionária. Esses produtos também estão em conformidade com os padrões ECSS E ST20-08C exigidos. A CESI está agora a caminho de lançar células de quatro junções que terão níveis de eficiência superiores aos das células de três junções.

No futuro, a CESI pretende oferecer uma ampla gama de produtos de células solares espaciais que atendam a qualquer requisito de programa espacial. Até o momento, os esforços da CESI resultaram em mais de 200.000 células solares, alimentando mais de 70 satélites civis para clientes distribuídos em 25 países.

A CESI possui sua tecnologia proprietária para fabricar células solares em Milão. Ao longo dos anos, construiu uma rede estreita e profunda com muitas agências e atores espaciais internacionais.

Assim como a Northrop Grumman, a CESI também trabalha com o Governo Nacional Italiano e recebeu financiamento da Agência Espacial Nacional Italiana (ASI) e da Agência Espacial Europeia (ESA). Fabricou células solares avançadas para atender às necessidades do Programa Espacial Europeu e de muitas missões interplanetárias.

De acordo com a última divulgação financeira disponível disclosure, a empresa obteve uma receita de mais de 87 milhões de coroas tchecas no exercício financeiro que terminou em 31 de dezembro de 2022.

Avanços na Tecnologia Solar Espacial: O Caminho à Frente

A tecnologia solar espacial encontrou seu lugar ao provar seu valor para a comunidade global, levando governos nacionais ao redor do mundo a começar a investir nela com grande entusiasmo. Nos Estados Unidos, isso se traduziu em ação quando o Naval Research Laboratory realizou um experimento em 2020 para capturar a luz solar e convertê‑la em energia elétrica de corrente contínua. Utilizou para isso o avião espacial X‑37B da Força Aérea.

Enquanto isso, os esforços internacionais também estão ganhando impulso. As autoridades chinesas estabeleceram metas ambiciosas com seu plano de 2028 para uma demonstração baseada no espaço liderada pela Academia Chinesa de Tecnologia Espacial. Na Europa, a Solaris destaca‑se como um programa de pesquisa bem financiado de três anos, tendo recebido aprovação da Agência Espacial Europeia. O Reino Unido também está na corrida, oferecendo subsídios para estudos sobre a captação de energia solar no espaço.

Evidentemente, empresas inovadoras, grandes e recursosas organizações globais e governos ao redor do mundo têm trabalhado juntos para capturar e aproveitar a energia que o espaço nos oferece. Com essa energia solar ininterrupta e não utilizada aguardando ser capturada e aproveitada para o benefício do planeta, o futuro realmente parece promissor.

Clique aqui para uma lista das dez principais ações de energia solar.