Energia
Soluções de Energia Baseadas no Espaço para Energia Limpa Ilimitada
Impulsionando as Renováveis ao Mais Alto Nível
A pressão para descarbonizar e eletrificar nossos sistemas de energia atualmente depende das renováveis, especialmente da energia eólica e solar. A energia geotérmica e a energia nuclear também podem ajudar.
Infelizmente, cada uma dessas soluções sofre com algumas limitações:
- A energia geotérmica ainda é relativamente não comprovada quando se trata de produção em larga 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 possa ser resolvida por sistemas de energia nuclear de 4ª geração.
- As renováveis sofrem com a intermitência, forçando as redes de energia verde a também investir somas massivas em baterias e outras formas de armazenamento de energia.
Quando se trata de energia solar, a intermitência parece uma característica inevitável, com a Terra à noite metade do tempo. Para complicar esse problema, a cobertura de nuvens pode reduzir drasticamente a saída 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 evitássemos os problemas noturnos e climáticos colocando nossa base de energia solar no espaço? Como isso funcionaria? E há outra maneira de alimentar as civilizações da Terra a partir do espaço?
Energia Solar Baseada no Espaço
A primeira característica importante 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 esteja na sombra da Terra, produzindo energia 24/7. Isso não apenas dobra a produção, mas também remove a necessidade de baterias em usinas de energia solar baseadas em terra.
Combinação com a ausência de redução de produção no inverno ou devido às nuvens, a energia solar intermitente se transforma em energia de base quase perfeita.
Outro fator é que a atmosfera absorve grande parte da luz do sol, mesmo sem nuvens. A inclinação e a forma esférica da Terra também reduzem a quantidade de sol que atinge o solo longe da região equatorial.
Painéis solares orbitais não sofrem com essas limitações. Graças a todos esses fatores combinados, um painel solar em órbita pode produzir até 40 vezes mais do que um painel no solo.
Como Funciona?
Já sabemos como produzir energia solar no espaço, com painéis solares de alto desempenho que já alimentam virtualmente todos os satélites e a ISS. Na teoria, precisaríamos apenas enviar para a órbita muitos mais painéis solares e enviar a energia de volta para a Terra.
Fonte: Solar.com
Surpreendentemente, a parte de enviar a energia de volta não é tão difícil quanto se imagina. O conceito dominante até agora é usar micro-ondas (2,45 GHz), que não são absorvidas por nuvens. As micro-ondas são então absorvidas e convertidas de volta em eletricidade graças a um tipo dedicado de antena chamado de rectenna.
Alternativamente, a energia também pode ser transmitida com lasers.
Transmitir uma grande quantidade de energia de volta para a superfície da Terra pode parecer um pouco preocupante. Isso tende a criar a imagem de um raio de morte de ficção científica. No entanto, na prática, tal feixe seria rico em energia, mas não poderoso o suficiente para representar um perigo para a superfície.
Deve-se notar que uma das vantagens desse sistema é que a energia DC criada pelos painéis solares pode ser usada diretamente para transmiti-la, com energia AC criada apenas no solo para injetar a eletricidade na rede.
Por Que Agora?
Custos de Energia Solar
Produzir energia a partir de usinas solares orbitais é uma ideia antiga. Mas é apenas agora que está começando a parecer que pode se tornar viável.
A primeira razão é a ineficiência crescente e o declínio dos custos dos painéis solares, que são os mesmos fatores que tornaram a energia solar uma opção viável no solo.
Fonte: News Channel 3
Mais progressos na tecnologia podem ver a eficiência de conversão aumentar ainda mais. Atualmente, os painéis solares comumente usados no solo têm eficiência na faixa de 20-23%. Os usados no espaço são frequentemente tão altos quanto 30%, pois o custo extra é compensado pelo menor peso a ser transportado para a órbita, com ganhos adicionais esperados.
“Os painéis atuais usados no espaço alcançam eficiências na ordem de 30% na conversão de luz solar em eletricidade, e nos próximos 20 anos esperamos que eles alcancem 40%”
Custos de Lançamento
O outro elefante na sala é o custo de alcançar a órbita, quase inteiramente impulsionado pelos feitos da SpaceX em foguetes reutilizáveis. Esse custo já foi dividido por 10 e espera-se que continue a diminuir 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”, em comparação com um mero £2-1,5 no solo. Mas se os custos de lançamento puderem cair o suficiente, isso torna a energia solar baseada no espaço viável do ponto de vista econômico. E Elon Musk está mirando um mero $100/kg a longo prazo, graças à reutilização total do grande foguete Starship.
Limitações da Energia Solar Baseada no Espaço
Preço e Custos de Lançamento
Como explicado acima, a energia solar baseada no espaço é viável apenas se os custos de lançamento diminuírem significativamente. Embora isso possa estar acontecendo, é incerto quanto tempo levará para alcançar outra redução de 10x nos custos de lançamento orbital.
Isso pode atrasar significativamente a adoção da energia solar baseada no espaço, com a maioria dos grandes projetos de protótipo (próximos à escala de MW) não esperados antes de 2025-2030, no melhor dos casos. Um impacto significativo não será alcançado antes de construir tais sistemas 1.000x maiores, na escala de GW.
Acúmulo Orbital
Outra preocupação é a durabilidade real dos painéis solares em órbita. O espaço é um ambiente de alta radiação e os painéis se deteriorarão com o 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. Os detritos espaciais estão se tornando uma preocupação séria e as constelações de satélites em órbita terrestre baixa estão aumentando exponencialmente o número de itens ao redor do nosso planeta.
As usinas solares baseadas no espaço seriam várias quilômetros quadrados em superfície, tornando-as prováveis de serem atingidas regularmente por detritos espaciais. Mesmo micrometeoritos se tornarão um problema, dado tempo e superfície suficientes.
No pior cenário, um impacto importante criaria mais detritos, que por sua vez criariam mais detritos, em uma cascata catastrófica destruiria a maioria dos satélites da Terra.
Atualmente, a síndrome de Kessler seria prejudicial o suficiente, arruinando a comunicação, a imagem baseada no espaço, a ciência, bem como os sistemas de detecção antecipada 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 localizados em uma órbita muito distante, longe da órbita terrestre baixa, as trajetórias dos satélites tendem a declinar rapidamente. Portanto, as usinas de energia solar precisarão ser empurradas para órbitas mais altas, em direção às órbitas geoestacionárias (GEO), aumentando os custos, pois requerem mais capacidade de lançamento.
Isso também coloca em questão a reciclagem, pois esses painéis solares consumirão grandes quantidades de recursos preciosos e não renováveis, incluindo prata.
Portanto, a longo prazo, qualquer grande infraestrutura de energia solar 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 é muito energicamente intensivo. Portanto, apenas foguetes de alta eficiência tornarão o processo viável, permitindo que os painéis solares orbitais “compensem” a energia usada não apenas para fabricá-los, mas também para enviá-los para a órbita.
Perdas de Energia
Como dissemos, os painéis solares no espaço recebem muito mais energia do que no solo. No entanto, eles também precisam ter várias etapas a mais do que os sistemas baseados em terra antes de alimentar a rede:
- Solo: coletar luz solar -> converter DC para CA -> enviar energia para a rede.
- Espaço: coletar luz solar -> converter micro-ondas -> converter micro-ondas de volta em eletricidade -> converter DC para CA -> enviar energia para a rede.
As etapas extras de micro-ondas causam perdas de energia massivas, adicionando à eficiência de conversão de luz solar para energia de 30-40%.
“O sistema que usamos em nossa demonstração teve eficiência de aproximadamente 5%. Isso não é algo que seria viável operacionalmente, mesmo que a luz solar seja gratuita. Para uma usina solar baseada no espaço fazer sentido, a eficiência teria que ser de pelo menos 20%.”
Órbitas Estáveis e Vento Solar
Uma última pergunta é como gerenciar a trajetória orbital das usinas solares.
O painel solar precisará ajustar constantemente sua posição para receber a exposição solar máxima. Os feixes de micro-ondas precisarão ser constantemente redirecionados para atingir a área certa da superfície da Terra.
Devido à sua leveza e exposição máxima à luz solar, os painéis solares serão empurrados por asas solares e luz. Na verdade, essa pressão da luz foi considerada para criar velas solares para propelir 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
Muito do futuro da energia solar baseada no espaço dependerá do desenvolvimento da indústria espacial como um todo. Alguns fatores-chave precisarão se encaixar para que isso aconteça:
- Crescimento da indústria permite escala e inovação para diminuir os custos de lançamento para os níveis necessários.
- Desenvolvimento de uma economia industrial orbital e/ou cislunar, 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 Fotovoltaica Espacial
Solar Concentrado e Espelhos Orbitais
O sistema de luz -> energia -> micro-ondas -> energia é intrinsicamente causador de perdas massivas, que contrabalançam parcialmente a maior saída solar por estar no espaço.
Essa é uma crítica central desse conceito, mesmo abraçada por ninguém menos que Elon Musk, desde 2012
“Deixe-me contar sobre uma de minhas peças favoritas: energia solar baseada no espaço. OK, a coisa mais estúpida já feita.
E se alguém deve pensar, deve gostar de energia solar baseada no espaço, deve ser eu. Tenho uma empresa de foguetes e uma empresa de energia solar. Devo estar muito animado, você sabe.”
Claro, muito mudou desde 2012. Os preços dos painéis solares e os custos de lançamento caíram. E a necessidade de geração de energia de base renovável é muito maior.
No entanto, pode haver uma alternativa: refletir diretamente a luz solar em vez de capturá-la com painéis fotovoltaicos. Isso pode ser alcançado colocando um espelho gigante em órbita.
Uma vantagem desse método é que sabemos como construir espelhos ultraleves e ultrafinos no espaço, usando folha de alumínio. Como o material só precisa ser reflexivo, sem eletrônica, pode ser muito mais barato e leve por metro quadrado do que uma célula fotovoltaica.
A ideia é notadamente defendida por Ben Nowack, fundador da Reflect Orbital, a Universidade de Glasgow SOLSPACE (com uma subvenção de €2,5 milhões do Conselho Europeu de Pesquisa), e a gigante de energia Engie’s Laborelec.
A ideia é alimentar usinas solares baseadas em terra durante a noite, transmitindo luz solar em direção a elas. Portanto, o modelo de negócios seria “vender” luz solar para utilidades solares baseadas em terra.
Tal sistema não poderia passar pela cobertura de nuvens, mas poderia ser uma grande opção para fazendas solares instaladas em áreas secas ou desertas.
Potencialmente, o conceito também poderia aumentar as “clássicas” usinas solares baseadas no espaço, barateando a energia total que elas recebem antes de transmiti-la de volta à Terra.
Em 2018, a China anunciou planos para usar um sistema de espelho para substituir as luzes de rua noturnas por 2022. Embora isso não tenha sido feito, pode ser uma maneira criativa de usar “energia solar” baseada no espaço para reduzir nosso consumo de energia à noite, quando as renováveis produzem menos.
Fábricas Espaciais
Como explicado acima, um grande custo na energia solar baseada no espaço é o problema 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 presentes no local.
Isso removeria completamente da equação o custo de levantar a usina de energia solar para a órbita. Em vez disso, substituiria o custo de enviar apenas o equipamento necessário para criar uma fábrica de energia solar baseada no espaço (ou espelho).
Uma maneira de fazer isso seria capturar asteroides com os recursos certos, minerá-los e produzir diretamente a usina de energia na órbita.
Conceitualmente sólido, isso ainda é muito especulativo, pois nenhuma mineração de asteroides foi alcançada.
Base Lunar
Mesmo que as usinas solares sejam produzidas no espaço, os problemas de equilíbrio do vento solar e dos detritos espaciais permanecerão.
Uma alternativa seria instalar as estações de energia na Lua, em vez disso. A energia seria coletada por grandes fazendas solares construídas na Lua e, em seguida, transmitida diretamente ou indiretamente para a Terra. Os feixes de micro-ondas da Lua também podem ser redirecionados por espelhos, pois os metais refletem micro-ondas.
Em comparação com satélites solares em órbita terrestre baixa e geoestacionária, isso apresenta algumas vantagens:
- Gravidade: com 1/6 da gravidade da Terra, a Lua pode ser muito mais amigável para adaptar os processos de fabricação da Terra ao espaço do que ambientes completamente sem peso.
- Perfeito para solar: sem atmosfera, a superfície da Lua nunca sofre com vento, nuvens, neblina, gelo, tempestades de areia, granizo, etc. Portanto, a produção de energia será altamente confiável e previsível.
- Manutenção humana: os sistemas orbitais precisariam confiar inteiramente em robôs para montagem, manutenção e reciclagem. Em vez disso, os planos em andamento para bases lunares dos EUA, bem como da China e da Rússia, forneceriam a mão de obra local para quando os robôs não forem suficientes.
- Recursos: A Lua é um corpo celestial maciço, provavelmente contendo muitos recursos. Isso a torna uma candidata melhor para uma fábrica espacial do que a ideia não comprovada de mineração de asteroides.
Silício, alumínio e ferro podem ser quimicamente extraídos do solo lunar para a fabricação de células solares. Elementos de traço podem ser trazidos da Terra para dopar células solares.
Estima-se que um quilograma de materiais transportados da Terra para a Lua resultaria na entrega de 200 vezes mais energia elétrica para a Terra do que um quilograma de um satélite de energia solar.
No entanto, a ideia tem algumas limitações.
Notavelmente, a Lua tem um ciclo de dia/noite de 28 dias, forçando tal conceito a confiar em uma sucessão de usinas de energia 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 a energia futura envolvendo a Lua é seu depósito de Hélio-3. O elemento muito raro na Terra poderia teoricamente alimentar uma forma ultraeficiente de fusão nuclear.
Na teoria, isso poderia tornar a exploração espacial e a mineração uma característica importante de nosso futuro fornecimento 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 de 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 (notadamente nuclear), removendo as consequências de uma falha catastrófica da Terra. No entanto, as perdas de energia na transmissão de tal fonte de energia, bem como os custos de construção no espaço, podem torná-la não lucrativa.
Empresas de Energia Solar Espacial
1. Space Solar
A Space Solar é uma empresa britânica que busca desenvolver um satélite solar de 2GW, CASSIOPeiA. Isso seria uma das maiores estruturas já construídas pela humanidade, tornando alguns dos arranha-céus mais altos minúsculos em comparação.
Fonte: Space Solar
CASSIOPeiA conteria 60.000 painéis solares, pesaria 2.000 toneladas e orbitaria a uma altitude geoestacionária.
A transmissão de energia seria feita usando uma antena de fase variável para direcionar o feixe de energia. A estação de solo precisaria ter 5 km de diâmetro. A tecnologia de transmissão de energia já foi demonstrada na Terra, com 30kW de energia. Isso foi alcançado graças a HARRIER, a primeira transmissão de energia sem fio 360°, um fator chave para alta confiabilidade.
O conceito do satélite de energia depende de dois refletores solares que enviam a luz solar de volta para o segmento do coletor central.
Fonte: Space Solar
O programa é esperado para custar £17B para a primeira versão, com um custo de £3,6B para iterações subsequentes. Isso o tornaria em 1/4 do custo de uma usina de energia nuclear equivalente de 2GW de capacidade, uma comparação justa, considerando o perfil de base da usina de energia.
2. Reflect Orbital
Como mencionado acima, a Reflect Orbital não busca gerar energia em órbita. Em vez disso, seu negócio visa “vender luz solar após o escuro” para empresas solares baseadas em terra.
Com preços de pico frequentemente logo após o pôr do sol, quando as pessoas estão de volta ao lar, mas as renováveis estão offline, isso pode ser uma boa estratégia. Além disso, o feixe de satélite solar pode ser facilmente redirecionado para diferentes locais, permitindo a arbitragem entre diferentes preços entre países ou condições climáticas adversas em uma área.
Isso a torna uma empresa interessante para seguir, caso a conversão de luz solar em energia, então micro-ondas, então de volta à energia, seja um processo muito ineficiente para competir com a energia solar baseada em terra.
Por enquanto, a empresa está desenvolvendo seus satélites e levantando fundos. Para ajudar a explicar o conceito melhor, eles também fizeram uma demonstração usando um balão de ar quente a 3 km de altura que se tornou viral.
Fonte: Reflect Orbital
A empresa pretende testar um protótipo até 2025. O satélite pesaria apenas 16 kg e seria equipado com espelhos de mylar de 9,9 metros por 9,9 metros de tamanho, desdobrando-se uma vez em órbita.
Os planos da Reflect Orbital podem ser menos de alta tecnologia do que uma rede completa de satélites solares orbitais ou baseados na Lua. Mas talvez isso possa ser uma força, pois usa tecnologias inteiramente conhecidas de uma maneira criativa, já dominadas há décadas. Isso poderia desviar um pouco o risco do projeto.
