Piensa en lo que sabes sobre fuentes limpias de energía. ¿Qué es lo más verde?
Hidroeléctrica, geotérmica, eólica y solar probablemente se me ocurran. Aunque sean amigables con el medio ambiente, todos tienen límites significativos en cuanto a la cantidad de energía que pueden producir y dónde pueden ser utilizados. A saber, a pesar de algunos avances realmente geniales en energía solar, los paneles solares solo pueden generar energía mientras el sol brilla.
La solución, entonces, es obvia. Ve donde el sol nunca se pone: en el espacio.
Esa es la visión de científicos, investigadores y empresarios, tanto en los Estados Unidos como en Japón, China y Europa. Aunque el concepto ha sido criticado al menos desde la década de 1970, se ha revisado y abandonado repetidamente porque poner todas las partes allí, y la gente para armar todo, era imposiblemente costoso. Solo con el advenimiento de satélites súper pequeños, producidos en masa y cohetes de refuerzo reutilizables, algunos están comenzando a mirar mucho más duro para hacer realidad el espacio solar.
Hay docenas y docenas de ideas sobre cómo construir un sistema de recolección solar basado en el espacio, pero la esencia básica es algo así: lanzar y ensamblar robóticamente varios cientos o miles de módulos de tamaño idéntico en órbita geosíncrona. Una parte comprende espejos para reflejar y concentrar la luz solar en paneles solares que convierten la energía en electricidad. Los convertidores convierten esa electricidad en microondas de baja intensidad que se transmiten a grandes receptores circulares en el suelo. Esas antenas vuelven a convertir las microondas nuevamente en electricidad, que se puede alimentar a la red existente.
John Mankins, quien pasó 25 años en la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech, recibió fondos del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA en 2011 para refinar su concepto de planta de energía solar espacial con mayor detalle. Insiste en que la tecnología y la ingeniería necesarias para hacer realidad el espacio solar ya existe, pero como con cualquier idea nueva y costosa, todo se reduce a los billetes verdes y el sentido común.
"No es como la fusión, no hay una nueva física involucrada", dice Mankins, haciendo referencia a ITER, la colaboración de 35 naciones para construir un reactor de fusión en Francia. “No hay salsa secreta. Es un obstáculo financiero obtener fondos para desarrollar los elementos y demostrar la nueva arquitectura requerida para hacer esto ”.
Mankins y otros estiman que el costo total para desarrollar, construir, lanzar y ensamblar todos los componentes de una planta de energía solar basada en el espacio es del orden de $ 4 a $ 5 mil millones, una fracción del precio de $ 28 mil millones en la presa de las Tres Gargantas de China. Mankins estima que se podría obtener un modelo a escala de trabajo con componentes de tamaño completo por $ 100 millones. En comparación, la planta nuclear de Watts Bar, recientemente completada por la Autoridad del Valle de Tennessee, tardó 43 años en construirse, desde el comienzo hasta el final, y costó $ 4.7 mil millones en total.
Críticamente, lo que pagarían los consumidores, el precio por kilovatio-hora, debe estar en el mismo estadio que las fuentes convencionales de energía producidas con carbón, gas natural y nuclear, cuyo precio oscila entre 3 y 12 centavos por kilovatio-hora. La energía hidroeléctrica puede ser asombrosamente barata, a menos de un centavo por kilovatio-hora, pero solo si tiene la suerte de vivir en una región con abundantes ríos de alto caudal, como en partes de Canadá y Wisconsin. La geotermia también es muy económica, registrando a 3 centavos por kilovatio-hora, pero tendrá que preguntar a los islandeses cómo les gusta sus facturas de energía. Y los defensores del viento anunciaron la noticia el año pasado de que los costos de ese recurso renovable se habían desplomado a 2.5 centavos por kilovatio-hora.
Gary Spirnak, CEO de la compañía de energía con sede en California Solaren, dice que el costo en los bajos dígitos dobles o incluso en un solo dígito de centavos por kilovatio-hora es absolutamente esencial para que el espacio solar sea una utilidad competitiva.
La compañía de Spirnak está aprobada como proveedor de energía solar en California, y ha tenido acuerdos de suministro en el pasado con Pacific Gas and Electric, pero su modelo de negocio se basa completamente en generar su energía a partir de energía solar cosechada en el espacio. Solaren está en proceso de negociar nuevos acuerdos con una o más empresas de servicios públicos. La compañía tiene patentes aquí en los EE. UU. Para su diseño, así como en Europa, Rusia, China, Japón y Canadá, y ha asegurado una primera ronda de financiamiento para una demostración de sus componentes en el laboratorio en algún momento del próximo año. Spirnak espera convencer a los inversores para que respalden una planta piloto de 250 megavatios al final de la fase de desarrollo y prueba, tal vez dentro de cinco años.
Se requieren dos estructuras de piedra angular para que funcione el espacio solar. Primero, los amplificadores de potencia de estado sólido que convierten eficientemente la electricidad de la luz solar recolectada en ondas de radiofrecuencia, y los receptores en el suelo que reconvierten las ondas de RF nuevamente en electricidad.
Paul Jaffe posee el módulo de conversión de "pasos" solares patentados que posee registros del Laboratorio de Investigación Naval frente a una cámara de prueba de vacío térmico. (Paul Jaffe) 
Prototipo Solar Espacial: este módulo de conversión de luz solar a microondas para energía solar espacial fue el primero en probarse en condiciones similares al espacio. La robótica espacial se usaría para ensamblar miles para crear el transmisor de un satélite solar espacial. (Paul Jaffe) 
Los prototipos del módulo de conversión solar espacial de NRL se probaron en esta instalación de prueba de vacío solar e iluminación solar simulada. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, ingeniero del Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC, trabajó en dos prototipos del módulo de recolección, al que se refiere como un "emparedado", ya que el colector solar, el convertidor de potencia y el emisor de RF están todos juntos en un pie -Azulejo cuadrado de dos pulgadas de grosor. El peso de cada módulo individual determina en última instancia el precio de la electricidad distribuida en tierra; En términos de vatios por kilogramo lanzado, Jaffe dice que el diseño básico de baldosas llegó a alrededor de 6 vatios por kilogramo.
Teniendo en cuenta esa producción de energía, una vida útil de la planta de energía solar de 20 años, un costo de lanzamiento de $ 2, 500 por kilo y diferentes niveles de costo de los propios componentes, Jaffe calcula que si la masa disminuye y la potencia aumenta a 500 vatios por kilo, eso equivale a un costo de 3 centavos por kilovatio-hora.
"Hacer incluso cosas realmente simples para reducir la masa nos lleva al rango de 100 vatios por kilogramo, y 1, 000 vatios por kilogramo no es una locura", dice. "Obtiene muy buenas eficiencias con la tecnología solar actual que ya está disponible comercialmente, y llevamos todos estos días convertidores de RF muy eficientes y livianos en nuestros bolsillos".
Los convertidores de RF son la razón por la cual los teléfonos celulares funcionan: los teléfonos son básicamente walkie-talkies glorificados cuyas señales son ayudadas por una red de estaciones de retransmisión de señales. Los convertidores en el teléfono traducen las ondas de radio en datos que entendemos (audio) y viceversa. Esta tecnología es fundamental para la investigación del espacio solar en Caltech, en una colaboración entre científicos e ingenieros allí y Northrop Grumman.
Spirnak dice que el objetivo principal del trabajo de Solaren en los últimos meses ha sido justamente eso: reducir el peso de sus módulos. Aunque los cohetes reutilizables reducirían aún más el costo total de producción, Spirnak no está conteniendo la respiración en el corto plazo; está pensando en usar vehículos de elevación pesados convencionales para llevar los componentes de Solaren al espacio.
"Pasamos mucho tiempo despiadadamente sacando peso del sistema", dice Spirnak. "Podemos empaquetar elementos grandes individuales en lanzadores individuales, con algunas hazañas interesantes de origami", aunque entregar todo el sistema al espacio aún requerirá múltiples lanzadores superpesados.
Jaffe dice que la pregunta más común que recibe cuando habla sobre el espacio solar no es si se puede o se debe hacer, sino cuán peligroso es ese rayo de energía del espacio. ¿No freirá pájaros y aviones en el cielo cuando pasen por el rayo?
"Si te sientas afuera en una tarde soleada durante 15 minutos, no te quemas", explica. “Nuestras radios, televisores y teléfonos celulares no nos están cocinando, y todos están en las mismas frecuencias que lo que se propone. Ya existen límites de seguridad [en transmisiones de microondas] establecidos por IEEE [Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos], por lo que debe diseñar un sistema para asegurarse de que la energía se distribuya en un área grande. No se convertirá accidentalmente en un rayo de la muerte.
Para obtener las mejores relaciones de costo a peso, eficiencias de escala y tener una capacidad de generación eléctrica comparable de una planta de energía nuclear promedio (1 a 2 gigavatios), cualquier conjunto de recolección solar en el espacio debería tener aproximadamente un kilómetro de diámetro.
Los receptores de recolección en tierra tendrían que ser consecuentemente grandes: para que una planta solar basada en el espacio genere alrededor de un gigavatio de energía, un colector solar de un kilómetro (.62 millas) emitiría energía a un kilómetro de 3.5 pulgadas (2 millas) ) receptor en el suelo. Eso requeriría un área de alrededor de 900 acres. Compare eso con la planta de paneles solares Solar Star en California, actualmente la mayor empresa de servicios solares de los Estados Unidos, que ocupa 3.200 acres.
La transmisión de potencia de radiofrecuencia tiene un inconveniente importante: las longitudes de onda "seguras" que tampoco se verán refractadas por algo tan simple como la lluvia ya están superpobladas, obstruidas a través de transmisiones de radio regulares, así como el uso militar, industrial y satelital.
Los críticos del espacio solar, destacados entre ellos Elon Musk de Tesla, dicen que las eficiencias a escala económica simplemente no se pueden lograr debido a toda la conversión y reconversión de la potencia que se requiere.
Pero Jaffe tiene la esperanza de que la vieja grieta en la fusión no se convierta en realidad en el espacio solar: "Han pasado 10 años en los últimos 60 años", se ríe.
Mankins enfatiza que con el pronóstico de la población mundial de explotar a 11.3 mil millones para fines de siglo, con casi todo eso representado en el mundo en desarrollo, la energía solar espacial merece una seria inversión por parte de las entidades públicas y socios privados. Él dice que es necesaria abundante energía limpia para satisfacer las necesidades humanas básicas, así como para abordar la destrucción ambiental asegurada si toda esa energía proviene de fuentes convencionales.
"Si la combinación de fuentes de energía no cambia radicalmente, no hay forma de llegar al carbono neutral", dice Mankins. “Tampoco se puede decir a 800 millones de personas en China que deben permanecer en la pobreza extrema. Hay una necesidad no solo de compensar el uso actual de carbono, sino de mirar hacia adelante 70 años y de cómo compensaremos tres veces el uso actual. Realmente necesitamos grandes soluciones ".
