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La energía solar basada en el espacio se está poniendo seria: ¿puede resolver los problemas energéticos de la Tierra?

A fines del mes pasado en Munich, los ingenieros de la firma aeroespacial europea Airbus mostraron lo que podría ser el futuro de la energía limpia. Recolectaron la luz del sol con paneles solares, la transformaron en microondas y emitieron la energía a través de un hangar de aviones, donde se convirtió de nuevo en electricidad que, entre otras cosas, iluminó un modelo de ciudad. La demostración entregó solo 2 kilovatios a lo largo de 36 metros, pero planteó una pregunta seria: ¿Es hora de resucitar un plan ridiculizado durante mucho tiempo como ciencia ficción y lanzar satélites gigantes para recolectar energía solar en el espacio? En una órbita alta, libre de nubes y de la noche, podrían generar energía las 24 horas del día y enviarla a la Tierra.

“No es ciencia nueva, es un problema de ingeniería”, dice Jean-Dominique Coste, ingeniero de Airbus. “Pero nunca se ha hecho en [large] escala.»

La necesidad urgente de energía verde, acceso más barato al espacio y mejoras en la tecnología finalmente podrían cambiar eso, creen los defensores de la energía solar espacial. “Una vez que alguien haga la inversión comercial, florecerá. Podría ser una industria de un billón de dólares”, dice el ex investigador de la NASA John Mankins, quien evaluó la energía solar espacial para la agencia hace una década.

Es probable que se realicen grandes inversiones en el futuro, y quedan innumerables preguntas, incluida la posibilidad de transmitir gigavatios de energía al planeta de manera eficiente, y sin freír pájaros, si no personas. Pero la idea está pasando de los documentos conceptuales a un número cada vez mayor de pruebas en tierra y en el espacio. La Agencia Espacial Europea (ESA), que patrocinó la demostración de Munich, propondrá el próximo mes a sus estados miembros un programa de experimentos terrestres para evaluar la viabilidad del esquema. El gobierno del Reino Unido ofreció este año hasta £6 millones en subvenciones para probar tecnologías. Las agencias chinas, japonesas, surcoreanas y estadounidenses tienen pequeños esfuerzos en marcha. “El tono y el tenor de toda la conversación han cambiado”, dice el analista de políticas de la NASA Nikolai Joseph, autor de una evaluación que la NASA planea publicar en las próximas semanas. Lo que antes parecía imposible, dice la analista de política espacial Karen Jones de Aerospace Corporation, ahora puede ser una cuestión de “unirlo todo y hacerlo funcionar”.

La NASA investigó por primera vez el concepto de energía solar espacial durante la crisis del combustible de mediados de la década de 1970. Pero una misión de demostración espacial propuesta, con tecnología de los años 70 lanzada en el transbordador espacial y ensamblada por astronautas, habría costado alrededor de $ 1 billón. La idea fue archivada y, según Mankins, sigue siendo un tema tabú para muchos en la agencia.

Hoy en día, tanto la tecnología espacial como la de energía solar han cambiado más allá del reconocimiento. La eficiencia de las células solares fotovoltaicas (PV) aumentó un 25 % durante la última década, dice Jones, mientras que los costos se desplomaron. Los transmisores y receptores de microondas son una tecnología bien desarrollada en la industria de las telecomunicaciones. Los robots que se están desarrollando para reparar y repostar satélites en órbita podrían convertirse en la construcción de paneles solares gigantes.

Pero el mayor impulso para la idea provino de la caída de los costos de lanzamiento. Un satélite de energía solar lo suficientemente grande como para reemplazar una estación nuclear o de carbón típica necesitará tener kilómetros de diámetro, lo que requerirá cientos de lanzamientos. “Requeriría un sitio de construcción a gran escala en órbita”, dice el científico espacial de la ESA Sanjay Vijendran.

La compañía espacial privada SpaceX ha hecho que la idea parezca menos descabellada. Un cohete SpaceX Falcon 9 transporta carga a alrededor de $ 2600 por kilogramo, menos del 5% de lo que costó en el transbordador espacial, y la compañía promete tarifas de solo $ 10 por kilogramo en su gigantesca Starship, que se lanzará por primera vez este año. “Está cambiando la ecuación”, dice Jones. “La economía lo es todo”.

De manera similar, la producción en masa está reduciendo el costo del hardware espacial. Los satélites suelen ser únicos construidos con costosos componentes clasificados para el espacio. El rover Perseverance de la NASA en Marte, por ejemplo, costó $2 millones por kilogramo. En contraste, SpaceX puede producir sus satélites de comunicación Starlink por menos de $1000 por kilogramo. Ese enfoque podría funcionar para estructuras espaciales gigantes hechas de una gran cantidad de componentes idénticos de bajo costo, ha argumentado durante mucho tiempo Mankins, ahora con la consultora Artemis Innovation Management Solutions. Combine los lanzamientos de bajo costo y esta «hipermodularidad», dice, y «de repente, la economía de la energía solar espacial se vuelve obvia».

Aquí viene el sol.  La caída en picado del costo de los lanzamientos espaciales y la electrónica puede hacer que la energía solar espacial sea viable.  Todos los diseños necesitan celdas fotovoltaicas (PV), a veces alimentadas por espejos, y transmisores de microondas para transmitir energía, y todos tendrán kilómetros de ancho, lo que requerirá ensamblaje en órbita.  A continuación se muestra un concepto de diseño de International Electric Company.  1 Atrapar la luz.  Los espejos livianos, en cada extremo, desvían la luz solar hacia el panel solar central.  El satélite gira para mantenerlos apuntando hacia el sol.  2 Hacer poder.  Las células fotovoltaicas convierten la luz en electricidad, que se utiliza para generar microondas.  3 Transmítelo hacia abajo.  La matriz en fase de transmisores enfoca el haz de potencia de gigavatios en cualquier lugar de la Tierra en la línea de visión.  4 Estación receptora.  Un conjunto de antenas de kilómetros de ancho, en tierra o mar adentro, convierte las microondas en electricidad para la red eléctrica.
(GRÁFICO) C. BICKEL/CIENCIAS; (IMAGEN) APLICACIONES SATELITAL CATAPULTA

Una mejor ingeniería podría hacer que esas economías sean más favorables. Coste dice que la demostración de Airbus en Munich fue un 5% eficiente en general, comparando la entrada de energía solar con la salida de electricidad. Los paneles solares terrestres funcionan mejor, pero solo cuando brilla el sol. Si la energía solar espacial puede lograr una eficiencia del 20%, estudios recientes dicen que podría competir con las fuentes de energía existentes en precio.

Los componentes de menor peso también mejorarán el cálculo de costos. Los “paneles sándwich”, dispositivos del tamaño de una caja de pizza con celdas fotovoltaicas en un lado, electrónica en el medio y un transmisor de microondas en el otro, podrían ayudar. Ponga miles de estos juntos como un piso de baldosas y forman la base de un satélite solar espacial sin una gran cantidad de cableado pesado para cambiar la energía. Los investigadores han estado probando prototipos en tierra durante años, pero en 2020 un equipo del Laboratorio de Investigación Naval de los EE. UU. (NRL) lo consiguió a bordo del avión espacial experimental X-37B de la Fuerza Aérea.

“Todavía está en órbita, produciendo datos todo el tiempo”, dice el líder del proyecto Paul Jaffe de NRL. El panel tiene una eficiencia del 8% en la conversión de energía solar en microondas, pero no las envía a la Tierra. El próximo año, sin embargo, la Fuerza Aérea planea probar un panel sándwich que transmitirá su energía. Y un equipo del Instituto de Tecnología de California lanzará su panel prototipo en diciembre con SpaceX.

El inconveniente de los paneles tipo sándwich es que el lado de microondas siempre debe mirar hacia la Tierra, por lo que, a medida que el satélite orbita, el lado fotovoltaico a veces se aleja del Sol. Para mantener la energía las 24 horas, un satélite necesitará espejos para mantener ese lado iluminado, con el beneficio adicional de que los espejos también pueden concentrar la luz en el PV. Un estudio de la NASA realizado en 2012 por Mankins presentó un diseño en el que una estructura en forma de cuenco con miles de espejos de película delgada orientables individualmente dirige la luz hacia el conjunto fotovoltaico.

Ian Cash de International Electric Company del Reino Unido ha desarrollado un enfoque diferente. Su satélite propuesto utiliza grandes espejos fijos en ángulo para desviar la luz hacia una matriz fotovoltaica y de microondas mientras toda la estructura gira para mantener los espejos apuntando hacia el sol (ver gráfico arriba). La energía de las células fotovoltaicas se convierte en microondas y se alimenta a mil millones de pequeñas antenas perpendiculares, que juntas actúan como una «matriz en fase», dirigiendo electrónicamente el haz hacia la Tierra, independientemente de la orientación del satélite. Este diseño, dice Cash, ofrece la mayor potencia para su masa, lo que lo convierte en «el más competitivo económicamente».

Si una estación de energía basada en el espacio alguna vez vuela, la energía que genera deberá llegar a tierra de manera eficiente y segura. En una prueba reciente en tierra, el equipo de Jaffe en NRL emitió 1,6 kilovatios a lo largo de 1 kilómetro, y los equipos de Japón, China y Corea del Sur tienen esfuerzos similares. Pero los transmisores y receptores actuales pierden la mitad de su potencia de entrada. Para la energía solar espacial, la transmisión de energía necesita una eficiencia del 75 %, dice Vijendran, «idealmente del 90 %».

La seguridad de transmitir gigavatios a través de la atmósfera también necesita pruebas. La mayoría de los diseños tienen como objetivo producir un haz de kilómetros de ancho para que cualquier nave espacial, avión, persona o pájaro que se desvíe hacia él solo reciba una pequeña porción, con suerte inofensiva, de la transmisión de 2 gigavatios. Las antenas receptoras son baratas de construir, pero «necesitan mucho espacio», dice Jones, aunque dice que se pueden cultivar debajo de ellas o ubicarlas en alta mar.

Por ahora, Europa es donde las agencias públicas se están tomando más en serio la energía solar espacial. “Hay un compromiso allí que no se ve en los EE. UU.”, dice Jones. El año pasado, la ESA encargó dos estudios de costo/beneficio de la energía solar espacial. Vijendran dice que llegaron a la conclusión de que posiblemente podría igualar el costo de las energías renovables basadas en tierra. Pero incluso a un precio más alto, comparable al de la energía nuclear, su disponibilidad las 24 horas, a diferencia de la energía solar o eólica convencional, la haría competitiva.

En noviembre, la ESA pedirá a los estados miembros que financien una evaluación de si se pueden superar los obstáculos técnicos. Si las noticias son buenas, la agencia presentará planes para un esfuerzo completo en 2025. Armado con € 15 mil millones a € 20 mil millones, la ESA podría poner en órbita una instalación de demostración a escala de megavatios para 2030 y escalar hasta gigavatios, el equivalente. de una central eléctrica convencional, para 2040, dice Vijendran. “Es como un tiro a la luna”.

Fuente

Escrito por jucebo

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