Soluções de Energia Baseada no Espaço para Energia Limpa Ilimitada

Impulsionando as Renováveis Mais Alto

O impulso para descarbonizar e eletrificar nossos sistemas de energia atualmente depende das renováveis, especialmente eólica e solar. Energia geotérmica e energia nuclear também podem ajudar.

Infelizmente, cada uma dessas soluções apresenta algumas limitações:

• A energia geotérmica ainda é bastante incerta quando se trata de produção em escala e depende de recursos de calor locais desiguais.
• A energia nuclear é impopular, produz resíduos nucleares e requer muito capital inicial. Isso dificulta sua adoção, mesmo que a maioria desses problemas pode ser resolvida por 4^ªsistemas de energia nuclear de geração.
• As renováveis sofrem de intermitência, forçando as redes elétricas verdes a também investir somas massivas em baterias e outras formas de armazenamento de energia.

Quando se trata de energia solar, a intermitência parece ser uma característica inevitável, com a Terra à noite metade do tempo. Para agravar esse problema, a cobertura de nuvens pode reduzir drasticamente a produção de energia por semanas ou até meses em algumas regiões do mundo, e isso antes de discutir os problemas causados por poeira ou neve.

E se, para evitar a noite e os problemas climáticos, colocássemos nossa base de energia solar no espaço? Como isso funcionaria? E existe outra maneira de abastecer as civilizações da Terra a partir do espaço?

Energia Solar Baseada no Espaço

A primeira característica chave da energia solar baseada no espaço é que, à medida que os satélites de energia orbitam a Terra, eles podem ser colocados em uma órbita que nunca entra na sombra da Terra, produzindo 24/7. Isso não apenas dobra a produção, mas também elimina a necessidade de baterias nas usinas solares terrestres.

Combinado com a ausência de produção reduzida no inverno ou devido às nuvens, a energia solar intermitente se transforma em quase energia de base perfeita.

Outro fator é que a atmosfera absorve grande parte da luz do Sol mesmo sem nuvens. A inclinação da Terra e sua forma esférica também reduzem a quantidade de sol que atinge o solo longe da região equatorial.

Os painéis solares orbitais não sofrem nenhuma dessas limitações. Graças a todos esses fatores combinados, um painel solar em órbita poderia produzir até 40 vezes mais do que um na superfície.

Como Funciona?

Já sabemos como produzir energia solar no espaço, com painéis solares de alto desempenho já alimentando praticamente todos os satélites e a ISS. Em teoria, precisaríamos apenas enviar para a órbita muito mais desses painéis solares e enviar a energia de volta à Terra.

Fonte: Solar.com

Surpreendentemente, a parte de enviar a energia de volta não é tão difícil quanto se pode imaginar. O conceito dominante até agora é usar micro-ondas (2,45 GHz), que não são absorvidas pelas nuvens. As micro-ondas são então absorvidas e convertidas de volta em eletricidade graças a um tipo dedicado de antena chamado retorena.

Alternativamente, a energia também poderia ser transmitida de volta com lasers.

Fonte: ESA – European Space Agency

Transmitir uma enorme quantidade de energia de volta à superfície da Terra pode parecer um pouco preocupante. Tende a criar a imagem de um raio mortal de supervilão de ficção científica. No entanto, na prática, esse feixe seria rico em energia, mas de forma alguma poderoso o suficiente para representar um perigo para a superfície.

Deve-se notar que uma das vantagens deste sistema é que a energia DC criada pelos painéis solares pode ser usada diretamente para transmiti-la para baixo, com a energia AC sendo criada apenas no solo para injetar a eletricidade na rede.

Por Que Agora?

Custos Solares

Produzir energia a partir de usinas solares orbitais é uma ideia antiga. Mas só agora ela está começando a parecer viável.

A primeira razão é a crescente eficiência e a queda dos custos dos painéis solares, que são os mesmos fatores que tornaram essa opção viável no solo.

Fonte: News Channel 3

Mais avanços na tecnologia podem fazer com que a eficiência de conversão aumente ainda mais. Atualmente, os painéis solares terrestres comumente usados têm eficiência na faixa de 20-23%. Os usados no espaço frequentemente chegam a 30%, já que o custo extra é compensado por menor peso a ser transportado para a órbita, com ganhos adicionais esperados.

“Os painéis atuais usados no espaço alcançam eficiências da ordem de 30% na conversão da luz solar em eletricidade, e nos próximos 20 anos esperamos que alcancem 40%”
Nicola Rossi, Chefe de Inovação da Enel Group

Custos de Lançamento

O outro elefante na sala é o colapso dos custos de alcançar a órbita, quase inteiramente impulsionado pelas conquistas da SpaceX em foguetes reutilizáveis. Esse custo já foi reduzido em 10 vezes e espera-se que continue ficando mais barato com o lançamento do Starship e a produção em massa do maior foguete da história.

Fonte: Ark Invest

Quando os custos de lançamento eram £7.716 por quilograma, representavam aproximadamente £154 por watt de “custos de instalação”, comparado a apenas £2-1,5 no solo. Mas se os custos de lançamento caírem o suficiente, isso torna a energia solar baseada no espaço viável do ponto de vista econômico. E Elon Musk está mirando apenas $100/kg a longo prazo, graças à total reutilização da enorme carga útil do Starship.

Limitações da Energia Solar Baseada no Espaço

Preço e Custos de Lançamento

Conforme explicado acima, a energia baseada em solar só é viável se os custos de lançamento diminuírem significativamente. Embora isso possa estar acontecendo, não está claro quão rápido outra redução de 10 vezes no custo de lançamento orbital pode ser alcançada.

Isso poderia atrasar significativamente a adoção da energia solar baseada no espaço, com a maioria dos grandes projetos protótipos (próximos à escala MW) não esperados antes de 2025-2030, no melhor dos casos. Um impacto significativo não será alcançado antes de construir sistemas 1.000 vezes maiores, no nível de GW.

Poluição Orbital

Outra preocupação é a durabilidade real dos painéis solares em órbita. O espaço é um ambiente hostil, de alta radiação, e os painéis se degradarão ao longo do tempo. O mesmo provavelmente acontecerá com componentes eletrônicos como a antena de micro-ondas.

Além disso, o espaço orbital está ficando cada vez mais congestionado. Detritos espaciais estão se tornando uma preocupação séria, e constelações de satélites de Órbita Baixa (LEO) estão aumentando exponencialmente o número de objetos ao redor do nosso planeta.

Usinas solares baseadas no espaço teriam vários quilômetros quadrados de superfície, tornando-as propensas a serem atingidas regularmente por detritos espaciais. Mesmo micrometeoritos se tornarão um problema se houver superfície e tempo suficientes.

Em um cenário de pior caso, um grande impacto criaria mais detritos, que por sua vez criariam mais detritos, em uma cascata catastrófica que destruiria a maioria dos satélites da Terra. Este é um fenômeno conhecido como síndrome de Kessler.

Atualmente, a síndrome de Kessler já seria suficientemente danosa, prejudicando telecomunicações, imagens baseadas no espaço e ciência, bem como sistemas de detecção precoce de armas nucleares.

Mas se uma grande parte da energia da Terra for fornecida por usinas solares orbitais, tal evento seria ainda mais devastador.

Durabilidade e Reciclagem

Exceto se localizado em uma órbita muito distante, longe do LEO, as trajetórias dos satélites tendem a decair rapidamente. Portanto, as usinas de energia solar precisarão ser colocadas em órbitas mais altas, em direção a órbitas geoestacionárias (GEO), aumentando os custos, pois exigem maior capacidade de lançamento.

Isso também coloca em questão a reciclagem desses painéis, já que eles consumirão muitos recursos preciosos e não renováveis, incluindo prata.

Portanto, a longo prazo, qualquer infraestrutura de energia solar em grande escala também precisará dominar a reciclagem dos painéis, em vez de destruí-los mantendo-os em órbita ou fazendo-os cair de volta à Terra.

Por fim, enviar material para a órbita consome muita energia. Assim, apenas foguetes de alta eficiência tornarão o processo viável, permitindo que os painéis solares orbitais “recuperem” a energia usada não apenas para fabricá-los, mas também para enviá-los à órbita.

Perdas de Energia

Como dissemos, os painéis solares no espaço recebem muito mais energia do que no solo. No entanto, eles também precisam de várias etapas adicionais em relação aos sistemas terrestres antes de alimentar a rede:

• Terrestre: coletar luz solar -> converter DC para AC -> enviar energia para a rede.
• Espacial: coletar luz solar -> converter micro-ondas -> converter micro-ondas de volta em eletricidade -> converter DC para AC -> enviar energia para a rede.

As múltiplas etapas extras envolvendo a transmissão de micro-ondas para baixo causam perdas de energia massivas, somando-se à eficiência máxima de conversão de luz solar de 30-40% -> energia.

“O sistema que usamos em nossa demonstração teve uma eficiência de ponta a ponta de cerca de 5%. Isso não seria operacionalmente viável, embora a luz solar seja gratuita. Para que uma usina solar baseada no espaço faça sentido, a eficiência precisaria ser de pelo menos 20%.”
Jean-Dominique Coste – Gerente Sênior da Airbus Blue Sky

Órbitas Estáveis e Vento Solar

Uma última questão é como gerenciar a trajetória orbital das usinas solares.

O painel solar precisará ajustar constantemente sua posição para receber a máxima exposição ao sol. Os feixes de micro-ondas precisarão ser redirecionados continuamente para atingir a área correta da superfície da Terra.

Devido ao seu peso leve e à exposição maximizada ao sol, os painéis solares serão impulsionados por asas solares e luz. De fato, essa pressão da luz tem sido considerada para criar velas solares que impulsionam espaçonaves.

No contexto de uma usina de energia solar orbital que precisa permanecer estável, isso pode se tornar um problema.

Perspectivas Gerais da Fotovoltaica Espacial

Grande parte do futuro da energia solar baseada no espaço dependerá do desenvolvimento da indústria espacial como um todo. Alguns fatores chave precisarão se alinhar para que isso aconteça:

• Crescimento da indústria permite escala e inovação para reduzir os custos de lançamento aos níveis necessários.
• Desenvolvimento de uma economia industrial orbital e/ou cis-lunar, pelo menos para manutenção e reciclagem dos satélites de energia.
• Gestão adequada dos detritos espaciais e manutenção da órbita como uma zona neutra e pacífica.

Alternativa à Energia Solar Fotovoltaica no Espaço

Solar Concentrado e Espelhos Orbitais

A cadeia luz -> energia -> micro-ondas -> volta ao sistema de energia causa perdas massivas, o que compensa parcialmente a maior produção solar ao estar no espaço.

Esta é uma crítica central desse conceito, mesmo adotada por ninguém além de Elon Musk já em 2012

“Deixe-me contar uma das minhas ideias favoritas: energia solar espacial. OK, a coisa mais estúpida de todas.

E se alguém deveria pensar, gostar de energia solar espacial, deveria ser eu. Eu tenho uma empresa de foguetes e uma empresa solar. Eu deveria estar – eu realmente deveria estar nisso, sabe.”

Claro que muita coisa mudou desde 2012. Os preços dos painéis solares e os custos de lançamento despencaram. E a necessidade de geração de energia de base renovável é muito maior.

Ainda assim, pode haver uma alternativa: refletir diretamente a luz solar em vez de capturá-la com painéis fotovoltaicos. Isso poderia ser alcançado colocando um espelho gigante em órbita.

Uma vantagem desse método é que sabemos como construir espelhos ultraleves e ultrafinos no espaço, usando papel alumínio. Como o material só precisa ser refletivo, sem eletrônicos, pode ser muito mais barato e leve por metro quadrado do que uma célula fotovoltaica.

A ideia é notavelmente defendida por Ben Nowack, fundador da Reflect Orbital, o SOLSPACE da Universidade de Glasgow (com uma bolsa de €2,5M do Conselho Europeu de Pesquisa), e o gigante de energia Laborelec da Engie.

A ideia é alimentar fazendas solares terrestres durante a noite transmitindo luz solar em sua direção. Assim, o modelo de negócios seria “vender” luz solar para utilidades solares terrestres.

Um sistema assim não seria capaz de atravessar a cobertura de nuvens, mas poderia ser uma ótima opção para fazendas solares instaladas em áreas secas ou desérticas.

Potencialmente, o conceito também poderia impulsionar as usinas fotovoltaicas “clássicas” baseadas no espaço, aumentando barato a energia total que recebem antes de transmiti-la à Terra.

Em 2018, a China anunciou planos de usar tal sistema de espelhos para substituir as luzes de rua noturnas até 2022. Enquanto isso não foi realizado, poderia ser uma forma criativa de usar o “solar” baseado no espaço para reduzir nosso consumo de energia à noite quando as renováveis produzem menos.

Fábricas Espaciais

Como explicado acima, um grande custo da energia solar baseada no espaço é a necessidade de enviar centenas ou milhares de toneladas de material para a órbita. Uma solução para esse problema seria produzir diretamente os painéis solares (ou espelhos) no espaço, usando recursos já disponíveis no local.

Esse método removeria completamente da equação o custo de elevar a usina solar para a órbita. Em vez disso, substituiria esse custo apenas pelo envio do equipamento necessário para criar uma fábrica de painéis solares (ou espelhos) baseada no espaço.

Uma maneira de fazer isso seria capturar asteroides com os recursos adequados, minerá-los e produzir diretamente a usina de energia na órbita.

Conceitualmente sólido, isso ainda é muito especulativo, já que nenhuma mineração de asteroides de qualquer forma foi realizada até agora.

Base Lunar

Mesmo que as usinas solares sejam produzidas no espaço, os problemas de equilibrar os impactos do vento solar de detritos espaciais e a reciclagem permanecerão.

Uma alternativa seria instalar as estações solares na Lua. A energia seria coletada por enormes fazendas solares construídas na Lua e então transmitida direta ou indiretamente para a Terra. Os feixes de micro-ondas da Lua também podem ser redirecionados por espelhos, já que os metais refletem micro-ondas.

Fonte: Arizona State University

• Gravidade: com 1/6 da gravidade da Terra, a Lua pode ser muito mais amigável para adaptar o processo de fabricação da Terra ao espaço do que ambientes totalmente sem peso.
• Perfeito para solar: sem atmosfera, a superfície da Lua nunca sofre com vento, nuvens, nevoeiro, gelo, tempestades de poeira, granizo, etc. Portanto, a produção de energia será altamente confiável e previsível.
• Manutenção humana: os sistemas orbitais precisariam depender totalmente de robôs para montagem, manutenção e reciclagem. Em vez disso, os planos futuros de bases lunares pelos EUA, bem como China+Rússia, forneceriam a mão de obra local quando os robôs não forem suficientes.
• Recursos: A Lua é um corpo celeste massivo, provavelmente contendo muitos recursos. Isso a torna um candidato melhor para uma fábrica espacial do que a ideia não comprovada de mineração de asteroides.

Silício, alumínio e ferro podem ser extraídos quimicamente do solo lunar para a fabricação de células solares. Elementos traços podem ser trazidos da Terra para dopar as células solares.

Estima-se que um quilograma de materiais transportado da Terra para a Lua resultaria na entrega de 200 vezes mais energia elétrica para a Terra do que um quilograma de satélite alimentado por energia solar.

David R. Criswell

No entanto, a ideia tem algumas limitações.

Notavelmente, a Lua tem um ciclo dia/noite de 28 dias, forçando esse conceito a depender de uma sucessão de usinas espalhadas por toda a superfície da Lua (ou espelhos orbitais) para produzir uma saída contínua.

Hélio 3, Fusão e Usinas de Energia Lunar

Outra discussão sobre energia futura envolvendo a Lua é seu depósito de Hélio-3. O elemento muito raro na Terra poderia teoricamente alimentar uma forma ultra-eficiente de fusão nuclear.

Em teoria, isso poderia tornar a exploração espacial e a mineração uma característica chave do nosso futuro suprimento de energia. Na prática, a fusão ainda está em estágio experimental.

Fontes semelhantes de isótopos raros de hidrogênio, hélio e outros elementos, por exemplo, nos gigantes gasosos Júpiter e Saturno, poderiam desempenhar um papel semelhante a longo prazo.

A Lua também poderia ser imaginada como um local para um sistema de energia potencialmente perigoso, mas altamente produtivo (notavelmente nuclear), removendo a consequência de uma falha catastrófica da Terra. No entanto, a perda de energia ao retransmitir tal fonte de energia, bem como os custos de construção no espaço, podem torná-lo não lucrativo.

Empresas de Energia Solar Espacial

1. Space Solar

Space Solar é uma empresa britânica que busca desenvolver um satélite solar espacial de 2GW, CASSIOPeiA. Isso seria de longe uma das maiores estruturas já construídas pela humanidade, tornando alguns dos arranha-céus mais altos diminutos em comparação.

Fonte: Space Solar

CASSIOPeiA conteria 60.000 painéis solares, pesaria 2.000 toneladas e orbitária em altitude geoestacionária.

A transmissão de energia seria feita usando uma matriz de fase variável para direcionar o feixe de energia. A estação terrestre precisaria ter 5 km de diâmetro. A tecnologia de transmissão de energia já foi demonstrada na Terra, com 30kW de potência. Isso foi alcançado graças a HARRIER, o primeiro 360° transmissão sem fio de energia que não requer partes móveis, um fator chave para alta confiabilidade.

O conceito do satélite de energia dependeria de 2 refletores solares enviando a luz solar de volta ao segmento coletor central.

Fonte: Space Solar

Espera-se que o programa custe £17B para a primeira versão, com um custo de £3,6B para iterações subsequentes. Isso o colocaria em 1/4 do custo de uma usina nuclear equivalente de capacidade de 2GW, uma comparação justa, considerando o perfil de carga base da usina.

2. Reflect Orbital

Como mencionado acima, a Reflect Orbital não pretende gerar energia em órbita. Em vez disso, seu negócio visa “vender luz solar após o escuro” para empresas solares terrestres.

Com preços de pico frequentemente logo após o pôr do sol, quando as pessoas estão em casa mas as renováveis estão offline, isso pode ser uma boa estratégia. Além disso, o feixe solar do satélite pode ser facilmente redirecionado para diferentes locais, permitindo arbitragem entre diferentes preços entre países ou clima adverso em uma área.

Isso torna a empresa interessante de acompanhar caso, de fato, a conversão de luz solar em eletricidade, depois em micro-ondas, e depois de volta em eletricidade seja um processo muito ineficiente para competir com a energia solar terrestre.

Por enquanto, a empresa está desenvolvendo seus satélites e arrecadando fundos. Para ajudar a explicar melhor o conceito, eles também fizeram uma demonstração usando um balão de ar quente a 3 km de altitude que se tornou viral.

Fonte: Reflect Orbital

A empresa pretende testar um protótipo até 2025. Cada satélite pesaria apenas 35 libras (16 quilogramas) e seria equipado com espelhos de mylar de 33 pés por 33 pés (9,9 por 9,9 metros) de tamanho, desdobrando-se uma vez em órbita.

Os planos da Reflect Orbital podem ser menos avançados tecnologicamente do que uma rede completa de satélites solares orbitais ou baseados na Lua. Mas talvez isso seja uma força, pois essencialmente usa apenas tecnologias totalmente conhecidas de forma criativa, já dominadas há décadas. Isso poderia reduzir um pouco o risco do projeto.