Investigadores imaginan una “cosecha brillante” de energía solar espacial

La aparición de Isaac Asimov en el programa de David Letterman en 1980 aparece en un nuevo documental que explora las promesas de la energía solar espacial. El pionero de la ciencia ficción literaria contó al presentador que ya en 1940 había escrito sobre estaciones espaciales que enviaban energía de vuelta a la Tierra. Los principios científicos para hacerlo son válidos. La demora en lograrlo se debe al costo de lanzar cargas al espacio y al precio de la energía necesario para hacerlo viable.

Como informó pv magazine en 2023, la energía fue efectivamente transmitida desde un satélite en órbita baja (LEO) en forma de microondas. Esta prueba demostró que las estructuras espaciales con generación fotovoltaica pueden lanzarse de manera económica, desplegarse con éxito y transmitir energía solar de forma segura a la Tierra, aunque apenas la suficiente para activar algunos detectores en una azotea y provocar la alegría de los investigadores de Caltech presentes.

Ese momento también aparece en “Bright Harvest: Powering Earth from Space” (Cosecha brillante: energizando la Tierra desde el espacio), una película dirigida por Steven Reich que se proyectará en el Instituto de Tecnología de California, Caltech, el 27 de octubre. La universidad se convirtió en el centro de tres profesores de distintas disciplinas científicas y de ingeniería que hicieron posible demostrar el concepto de transferencia solar desde el espacio. Si bien su viabilidad práctica aún está por verse, la película transmite optimismo.

Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de materiales en Caltech, declaró a pv magazine que sus primeros trabajos en materiales fotovoltaicos de capa delgada alcanzaron eficiencias récord que se mantienen vigentes. La combinación de células de alta eficiencia y sustratos flexibles hace que dichos módulos sean aptos para su despliegue en el espacio. Emprendedor en serie, Atwater cofundó Alta Devices, que rompió récords con eficiencias celulares del 30 %, y Caelux, que desarrolla y fabrica células solares de perovskita sobre silicio.

“Desarrollamos células de arseniuro de galio de muy alta eficiencia mediante un proceso de crecimiento epitaxial, y esas células lograron alcanzar una potencia específica, que es la métrica más importante para la fotovoltaica espacial”, explicó Atwater. “La potencia por unidad de peso, no sólo por área, es crucial porque se trata de lanzar masa y volumen a la órbita”.

Según el documental, Atwater y sus colegas Sergio Pellegrino, profesor de ingeniería civil, y Ali Hajimiri, profesor de ingeniería eléctrica, combinaron sus especialidades en el Proyecto de Energía Solar Espacial de Caltech. Pellegrino se especializa en estructuras espaciales livianas enfocadas en el empaquetado, despliegue y estabilidad en órbita. Hajimiri desarrolla métodos para la transferencia inalámbrica de energía a larga distancia.

Junto con sus asociados y estudiantes, el equipo diseñó naves experimentales para probar distintas configuraciones de módulos fotovoltaicos, además de un sistema para transmitir energía en forma de microondas de baja intensidad. Las áreas clave de investigación incluyen células fotovoltaicas ligeras capaces de resistir el espacio; estructuras espaciales que puedan ser desplegadas desde cohetes existentes; y electrónica integrada para recolectar y retransmitir energía hacia la Tierra. Todo esto fue puesto a prueba en un Falcon 9 de SpaceX lanzado en enero de 2023. El satélite envió energía desde la órbita seis meses después.

En lugar de transmisores potentes y pesados, el equipo usó numerosos haces de microondas de baja potencia dirigibles hacia una antena receptora, donde se convierten en electricidad. La densidad energética del haz es comparable a la de la luz solar, por lo que no causa daños en tierra.

“La densidad de potencia sería de unos 100 miliwatts por centímetro cuadrado”, dijo Atwater. “Para comparar, si coloco mi teléfono junto al oído, la densidad es de 30 miliwatts por centímetro cuadrado; es decir, aproximadamente dos o tres veces menor que la de nuestra antena”.

La energía de microondas se genera directamente a partir de células solares en un chip, montado sobre sustratos flexibles que pueden enrollarse para el lanzamiento. La tecnología de dirección de haces ya se usa en radares y comunicaciones.

Si bien todas las tecnologías descritas en el documental son conocidas, el logro clave del proyecto de Caltech es haberlas integrado con éxito. El lanzamiento de 2023 incluyó una matriz de 32 tipos diferentes de células para medir su rendimiento y resistencia al entorno espacial. Un experimento de transmisión por microondas demostró que los haces podían orientarse hacia un receptor en Caltech. Además, la misión desplegó una estructura espacial de 1,8 m × 1,8 m que, en una aplicación práctica, serviría como soporte para módulos solares flexibles.

Según Atwater, una estación solar espacial funcional tendría un área aproximada de un kilómetro cuadrado una vez desplegada. Una sola unidad podría lanzarse en el futuro mediante una nave Starship de SpaceX, aunque constelaciones más pequeñas podrían enviarse con cohetes actuales.

En la Tierra, su equipo planea emplear plantas solares existentes como estaciones receptoras. Las antenas de microondas son ópticamente transparentes, de modo que podrían superponerse sobre módulos solares ya instalados. El sistema fotovoltaico en tierra no recibiría la energía directamente, pero aprovecharía la infraestructura y conexión a red existentes.

“Nuestra visión es que la planta solar terrestre genere energía durante el día, mientras la estación solar espacial use la misma red para producir electricidad las 24 horas”, explicó Atwater.

La productora de “Bright Harvest”, Brigitte Bren, señaló que el filme une tres de sus pasiones: energía limpia, responsabilidad ambiental e innovación audaz. “Los científicos de Caltech están convirtiendo la luz solar del espacio en energía para la Tierra, algo tanto visionario como práctico”, dijo. “Quise ayudar a difundir esta historia de esperanza, ingenio y posibilidades para el futuro del planeta”.

Bren, cofundadora de la consultora International Strategic Planning, Inc., añadió que los esfuerzos del proyecto reciben impulso por la drástica caída de los costos de lanzamiento comercial en los últimos años, impulsada por SpaceX, Blue Origin y otros. “A medida que bajan los costos de lanzamiento y aumenta la capacidad, construir estaciones solares en órbita pasa del sueño a la realidad”, indicó. “Su progreso hace que la energía solar espacial ya no sea sólo inspiradora, sino alcanzable”.

Caltech lidera así uno de varios esfuerzos globales para enviar energía desde el espacio, junto con iniciativas como Aetherflux, que emplea satélites en órbitas bajas que transmiten energía por láser infrarrojo a pequeñas estaciones terrestres, y Space Solar, en el Reino Unido, que trabaja con el British Antarctic Survey para abastecer zonas remotas con electricidad a menudo costosa o inexistente.

Atwater comentó que el equipo busca socios para comercializar su concepto. Por ahora, el Proyecto de Energía Solar Espacial es una iniciativa de investigación y desarrollo, y su implementación requerirá manufactura e integración industrial. No obstante, el trabajo continúa: el equipo entregará un nuevo conjunto experimental de células a SpaceX en noviembre para su lanzamiento previsto a la Estación Espacial Internacional el próximo año.

Toda la tecnología seguirá siendo experimental mientras el costo nivelado de la energía (LCOE) de la energía solar espacial supere al de las fuentes terrestres. Aunque la energía solar ya compite con otras tecnologías, incluso con la intermitencia, los costos siguen siendo determinantes.

Atwater se muestra convencido de que pueden transformar el experimento en realidad: “Voy a ser audaz al afirmar que, con la tecnología actual, podríamos lograr un LCOE de 0,09 dólares por kWh. En adelante, podremos ofrecerlo a 0,03 dólares por kWh. La energía solar desde el espacio será competitiva con la fotovoltaica a escala de servicios públicos”.

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