Energía solar espacial

La energía solar espacial ( SBSP o SSP ) consiste en captar energía solar en el espacio exterior mediante satélites solares (SPS) y distribuirla a la Tierra . Entre sus ventajas se incluyen una mayor captación de energía debido a la ausencia de reflexión y absorción atmosférica , la posibilidad de una mínima oscuridad y una mejor orientación hacia el Sol. Los sistemas de energía solar espacial convierten la luz solar en otra forma de energía (como microondas ) que puede transmitirse a través de la atmósfera hasta receptores en la superficie terrestre.

En la década de 1970, grupos como la Sociedad L5 promovieron la energía solar espacial para uso civil. Pronto reconocieron el potencial de esta tecnología como arma de energía dirigida para la defensa contra misiles balísticos . Este doble uso dio forma a la Iniciativa de Defensa Estratégica (IDE) de la década de 1980, cuyos principales artífices, entre ellos el físico Lowell Wood , fueron miembros fundadores de la L5. ^{[ 1 ]} La generación de energía orbital y la transmisión de energía dirigida siguen recibiendo financiación para la defensa antimisiles moderna, como en el caso del programa Golden Dome 2025. ^{[ 2 ]}

En mayo de 2020, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. realizó su primera prueba de generación de energía solar en un satélite. ^{[ 3 ]} En agosto de 2021, el Instituto Tecnológico de California (Caltech) anunció que planeaba lanzar un conjunto de prueba SBSP para 2023, y al mismo tiempo reveló que Donald Bren y su esposa Brigitte, ambos fideicomisarios de Caltech, habían estado financiando desde 2013 el Proyecto de Energía Solar Espacial del instituto, donando más de 100 millones de dólares. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} El proyecto MAPLE de Caltech demostró con éxito la transmisión de energía a la Tierra en 2023. ^{[ 5 ]} MAPLE transmitió una potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) de 3,2 vatios (+35 dBm), muy por debajo de los kilovatios típicos de los satélites de comunicaciones comerciales. ^{[ 6 ]} La cantidad de energía detectada en tierra fue de aproximadamente -45 dBm, o menos de una décima de microvatio. ^{[ 6 ]}

Historia

Un haz láser guía la transmisión de potencia de microondas a una rectena.

En 1941, el escritor de ciencia ficción Isaac Asimov publicó el relato corto « Razón », en el que una estación espacial transmite energía recolectada del Sol a varios planetas. Los paneles solares en naves espaciales se utilizan desde 1958, cuando la Vanguard I los empleó para alimentar uno de sus transmisores de radio; sin embargo, el término (y los acrónimos) mencionados anteriormente se utilizan generalmente en el contexto de la transmisión de energía a gran escala para su uso en la Tierra. El concepto SBSP, originalmente conocido como sistema de energía solar satelital (SSPS), se describió por primera vez en noviembre de 1968. ^{[ 7 ]} En 1973, Peter Glaser obtuvo la patente estadounidense número 3,781,647 por su método de transmisión de energía a largas distancias (por ejemplo, desde un SPS a la superficie terrestre) mediante microondas desde una gran antena (de hasta un kilómetro cuadrado) en el satélite a una mucho más grande, ahora conocida como rectena , en tierra. ^{[ 8 ]}

Glaser era entonces vicepresidente de Arthur D. Little , Inc. En 1974, la NASA firmó un contrato con ADL para que dirigiera a otras cuatro empresas en un estudio más amplio. Descubrieron que, si bien el concepto tenía varios problemas importantes —principalmente el costo de poner en órbita los materiales necesarios y la falta de experiencia en proyectos de esta magnitud en el espacio— , mostraba suficiente potencial como para justificar una mayor investigación. ^{[ 9 ]}

Desarrollo y evaluación de conceptos

Entre 1978 y 1986, el Congreso autorizó al Departamento de Energía (DoE) y a la NASA a investigar conjuntamente el concepto. Organizaron el Programa de Desarrollo y Evaluación del Concepto del Sistema de Energía por Satélite. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} El estudio sigue siendo el más extenso realizado hasta la fecha (presupuesto de 50 millones de dólares). ^{[ 12 ]} Se publicaron varios informes que investigaban la viabilidad de ingeniería de dicho proyecto. Entre ellos se incluyen:

Requisitos de recursos (materiales críticos, energía y tierra) ^{[ 13 ]}
Escenarios financieros/de gestión ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}
Aceptación pública ^{[ 16 ]}
Regulaciones estatales y locales aplicadas a las instalaciones de antenas receptoras de microondas del sistema de energía satelital ^{[ 17 ]}
Participación estudiantil ^{[ 18 ]}
Potencial del láser para la transmisión de energía SBSP ^{[ 19 ]}
Acuerdos internacionales ^{[ 20 ]}^{[ 21 ]}
Centralización/Descentralización ^{[ 22 ]}
Mapeo de áreas de exclusión para sitios de rectena ^{[ 23 ]}
Cuestiones económicas y demográficas relacionadas con el despliegue ^{[ 24 ]}
Algunas preguntas y respuestas ^{[ 25 ]}
Efectos meteorológicos en la propagación de haces láser y láseres bombeados directamente por energía solar ^{[ 26 ]}
Experimento de divulgación pública ^{[ 27 ]}
Resumen técnico y evaluación de la transmisión y recepción de energía ^{[ 28 ]}
Transporte espacial ^{[ 29 ]}

Discontinuación

El proyecto no se continuó con el cambio de administración tras las elecciones estadounidenses de 1980. La Oficina de Evaluación Tecnológica concluyó que «actualmente se sabe muy poco sobre los aspectos técnicos, económicos y ambientales de los SPS como para tomar una decisión acertada sobre si proceder con su desarrollo e implementación. Además, sin más investigación, un programa de demostración o verificación de ingeniería de sistemas de SPS sería una empresa de alto riesgo». ^{[ 30 ]}

Además del coste, la energía solar espacial (SBSP) también presenta varios obstáculos tecnológicos, incluido el problema de la transmisión de energía desde la órbita. Dado que la tecnología actual no permite el tendido de cables desde la superficie terrestre hasta un satélite en órbita, los diseños de SBSP generalmente incluyen la transmisión inalámbrica de energía con sus ineficiencias de conversión asociadas, así como consideraciones sobre el uso del suelo para las estaciones de antenas que reciben la energía en la superficie terrestre. El satélite recolector convertiría la energía solar en energía eléctrica, alimentaría un transmisor de microondas o un emisor láser y transmitiría esta energía a un colector (o rectena de microondas ) en la superficie terrestre. Contrariamente a lo que se muestra en la ficción, la mayoría de los diseños proponen densidades de energía del haz que no son dañinas si los seres humanos se exponen inadvertidamente , por ejemplo, si el haz de un satélite transmisor se desvía de su trayectoria. Sin embargo, el tamaño necesariamente enorme de las antenas receptoras requeriría grandes extensiones de terreno cerca de los usuarios finales. La vida útil de los colectores espaciales ante la exposición prolongada al entorno espacial, incluida la degradación por radiación y el daño causado por micrometeoritos , también podría convertirse en una preocupación para la SBSP.

^{A partir de 2020, Japón, China, [ 31 ]} Rusia, India, el Reino Unido, ^{[ 32 ]} los EE. UU. y la Agencia Espacial Europea están impulsando activamente el SBSP .

En 2008, Japón aprobó su Ley Espacial Básica que estableció la energía solar espacial como un objetivo nacional. ^{[ 33 ]} JAXA tiene una hoja de ruta para la energía solar espacial comercial.

En 2015, la Academia China de Tecnología Espacial (CAST) presentó su hoja de ruta en la Conferencia Internacional de Desarrollo Espacial. En febrero de 2019, el Science and Technology Daily (科技日报, Keji Ribao), periódico oficial del Ministerio de Ciencia y Tecnología de la República Popular China , informó que la construcción de una base de pruebas había comenzado en el distrito de Bishan de Chongqing. El vicepresidente de la CAST, Li Ming, declaró que China espera ser la primera nación en construir una estación de energía solar espacial operativa con valor práctico. Se informó que científicos chinos planeaban lanzar varias estaciones de energía espacial de tamaño pequeño y mediano entre 2021 y 2025. ^{[ 34 ]}^{[ 35 ]} En diciembre de 2019, la Agencia de Noticias Xinhua informó que China planea lanzar una estación SBSP de 200 toneladas capaz de generar megavatios (MW) de electricidad a la Tierra para 2035. ^{[ 36 ]}

En 1997, la NASA llevó a cabo su estudio "Fresh Look" para examinar el estado actual de la viabilidad de la energía solar espacial. Al evaluar "Qué ha cambiado" desde el estudio del Departamento de Energía, la NASA afirmó que "la Política Espacial Nacional de EE. UU. ahora exige que la NASA realice inversiones significativas en tecnología (no en un vehículo en particular) para reducir drásticamente los costos del transporte de la Tierra a la órbita . Esto es, por supuesto, un requisito absoluto de la energía solar espacial". ^{[ 37 ]}

Por el contrario, Pete Worden de la NASA afirmó que la energía solar espacial es aproximadamente cinco órdenes de magnitud más cara que la energía solar del desierto de Arizona, siendo el transporte de materiales a la órbita uno de los principales costos. Worden calificó las posibles soluciones como especulativas y que no estarían disponibles hasta dentro de décadas, como mínimo. ^{[ 38 ]}

El 2 de noviembre de 2012, China propuso una colaboración espacial con India que mencionaba la SBSP, "quizás una iniciativa de energía solar espacial para que tanto India como China puedan trabajar en una asociación a largo plazo con la financiación adecuada junto con otras naciones dispuestas a realizar viajes espaciales para llevar la energía solar espacial a la Tierra". ^{[ 39 ]}

Programa de Investigación y Tecnología Exploratoria

En 1999, la NASA inició su programa de Investigación y Tecnología Exploratoria de Energía Solar Espacial (SERT) con los siguientes propósitos: ^{[ 40 ]}^{[ 41 ]}^{[ 42 ]}^{[ 43 ]}

Realizar estudios de diseño de conceptos seleccionados para demostraciones de vuelo.
Evaluar estudios sobre la viabilidad general, el diseño y los requisitos.
Crear diseños conceptuales de subsistemas que utilicen tecnologías SSP avanzadas para beneficiar futuras aplicaciones espaciales o terrestres.
Formular un plan de acción preliminar para que Estados Unidos (en colaboración con socios internacionales) emprenda una ambiciosa iniciativa tecnológica.
Elaborar hojas de ruta para el desarrollo y la demostración de tecnologías para elementos críticos de la energía solar espacial (SSP).

El programa SERT desarrolló un concepto de satélite de energía solar (SPS) para un futuro sistema de energía espacial de gigavatios , con el fin de proporcionar energía eléctrica mediante la conversión de la energía solar y su transmisión a la superficie terrestre. Propuso una ruta de desarrollo conceptual que utilizaría tecnologías actuales. SERT planteó una estructura fotovoltaica inflable y ligera con lentes concentradoras o motores térmicos solares para convertir la luz solar en electricidad. El programa analizó sistemas tanto en órbita heliosíncrona como en órbita geosíncrona . Algunas de las conclusiones de SERT fueron:

Es probable que la creciente demanda mundial de energía continúe durante varias décadas, lo que dará lugar a la construcción de nuevas centrales eléctricas de todos los tamaños.
El impacto ambiental de esas plantas y su repercusión en el suministro energético mundial y las relaciones geopolíticas pueden resultar problemáticos.
Las energías renovables constituyen un enfoque convincente, tanto desde el punto de vista filosófico como desde el de la ingeniería.
Muchas fuentes de energía renovable tienen limitaciones para proporcionar de forma asequible la energía de carga base necesaria para el desarrollo industrial y la prosperidad mundiales, debido a las necesidades inherentes de tierra y agua.
Basándose en su estudio de definición de conceptos, es posible que los conceptos de energía solar espacial estén listos para volver a ser objeto de debate.
Ya no debería concebirse la idea de que los satélites de energía solar requieran inversiones iniciales inimaginablemente grandes en infraestructura fija antes de que pueda comenzar la instalación de centrales eléctricas productivas.
Los sistemas de energía solar espacial parecen poseer una serie de ventajas medioambientales significativas en comparación con otros enfoques alternativos.
La viabilidad económica de los sistemas de energía solar espacial depende de múltiples factores y del desarrollo exitoso de diversas tecnologías nuevas (entre las que destaca la disponibilidad de un acceso al espacio a un coste mucho menor que el que ha estado disponible hasta ahora); sin embargo, lo mismo puede decirse de otras opciones de tecnologías energéticas avanzadas.
La energía solar espacial bien podría convertirse en una candidata seria entre las opciones para satisfacer las demandas energéticas del siglo XXI. ^{[ 44 ]}
Se necesitan costos de lanzamiento en el rango de $100 a $200 por kilogramo de carga útil desde la órbita terrestre baja a la órbita geoestacionaria para que el SPS sea económicamente viable. ^{[ 12 ]}

Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial

La revista IEEE Spectrum de mayo de 2014 publicó un extenso artículo titulado "Siempre hace sol en el espacio", de Susumu Sasaki. ^{[ 45 ]} El artículo afirmaba: "Ha sido objeto de numerosos estudios previos y parte de la ciencia ficción durante décadas, pero la energía solar espacial podría finalmente convertirse en realidad, y en tan solo 25 años, según una propuesta de investigadores de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA), con sede en Tokio ".

JAXA anunció el 12 de marzo de 2015 que transmitió de forma inalámbrica 1,8 kilovatios a 50 metros de distancia a un pequeño receptor mediante la conversión de electricidad en microondas y posteriormente de nuevo en electricidad. Este es el plan estándar para este tipo de energía. ^{[ 46 ]}^{[ 47 ]} El 12 de marzo de 2015, Mitsubishi Heavy Industries demostró la transmisión de 10 kilovatios (kW) de potencia a una unidad receptora ubicada a una distancia de 500 metros (m). ^{[ 48 ]}

flujo de éter

Aetherflux es una empresa financiada por capital de riesgo centrada en la transmisión de energía solar, con una financiación de 50 millones de dólares estadounidenses. Planea una constelación de pequeños satélites en órbita terrestre baja , que utilizan láseres infrarrojos. Las estaciones terrestres tienen un diámetro de entre 5 y 10 metros (16 y 33 pies) . Este año fiscal, recibe apoyo parcial del Fondo de Mejora de la Capacidad Energética Operacional (OECIF) del Departamento de Defensa de los Estados Unidos . ^[⁴⁹^] En diciembre de 2025, Aetherflux cambió su enfoque hacia los centros de datos espaciales.

Ventajas y desventajas

Ventajas

El concepto SBSP resulta atractivo porque el espacio presenta varias ventajas importantes sobre la superficie terrestre para la captación de energía solar:

En el espacio siempre es mediodía solar y hay pleno sol.
Las superficies de captación podrían recibir una luz solar mucho más intensa, debido a la ausencia de obstáculos como gases atmosféricos , nubes , polvo y otros fenómenos meteorológicos. En consecuencia, la intensidad en órbita es aproximadamente un 144 % de la intensidad máxima alcanzable en la superficie terrestre.
Un satélite podría estar iluminado más del 99% del tiempo y permanecer en la sombra de la Tierra un máximo de solo 72 minutos por noche durante los equinoccios de primavera y otoño a medianoche local. ^{[ 50 ]} Los satélites en órbita pueden estar expuestos a un grado constantemente alto de radiación solar , generalmente durante 24 horas al día, mientras que los paneles solares de la superficie terrestre actualmente captan energía durante un promedio del 29% del día. ^{[ 51 ]}
La energía podría redirigirse con relativa rapidez directamente a las zonas que más la necesitan. Un satélite recolector podría dirigir la energía bajo demanda a diferentes ubicaciones en la superficie terrestre, según las necesidades geográficas de carga base o carga máxima .
Menor interferencia con la flora y la fauna silvestres .
La energía solar espacial no emite gases de efecto invernadero, a diferencia de las centrales de petróleo, gas, etanol y carbón. Además, a diferencia de las centrales de carbón y nucleares, la energía solar espacial no depende de los escasos recursos de agua dulce ni compite con ellos. ^{[ 52 ]}
El sistema SBSP genera cuarenta veces más energía que los paneles solares y prácticamente no produce residuos peligrosos para el medio ambiente. Además, permite generar electricidad de forma continua, veinticuatro horas al día, durante el noventa y nueve por ciento del año. ^{[ 53 ]}
Si la energía limpia que se obtiene de la energía solar espacial representara tan solo el cinco por ciento de nuestro consumo energético nacional, nuestra huella de carbono se reduciría significativamente. ^{[ 54 ]}

Desventajas

El concepto SBSP también presenta una serie de problemas:

El elevado coste de lanzar un satélite al espacio.
La óptica de microondas requiere una escala de gigavatios para compensar la dispersión del haz del disco de Airy . Normalmente, un disco de 1 km en órbita geoestacionaria que transmite a 2,45 GHz se dispersa hasta 10 km a distancia de la Tierra. ^{[ 55 ]}
Incapacidad para limitar la transmisión de potencia dentro de ángulos de haz diminutos. Por ejemplo, se requiere un haz de 0,002 grados (7,2 segundos de arco) para mantenerse dentro de un objetivo de antena receptora de un kilómetro desde la altitud geoestacionaria. Los sistemas de transferencia de potencia inalámbrica direccional más avanzados a partir de 2019 distribuyen el ancho de su haz a media potencia en al menos 0,9 grados de arco. ^{[ 56 ]}^{[ 57 ]}^{[ 58 ]}^{[ 59 ]}
Inaccesibilidad: El mantenimiento de un panel solar terrestre es relativamente sencillo, pero la construcción y el mantenimiento de un panel solar en el espacio generalmente se realizan mediante telerrobótica. Además del costo, los astronautas que trabajan en órbita geoestacionaria están expuestos a niveles inaceptablemente altos de radiación y otros riesgos, y su costo es aproximadamente mil veces mayor que el de realizar la misma tarea de forma telerrobótica.
El entorno espacial es hostil; los paneles fotovoltaicos (si se utilizan) sufren una degradación aproximadamente ocho veces mayor que en la Tierra (excepto en órbitas protegidas por la magnetosfera). ^{[ 60 ]}
Los desechos espaciales representan un peligro importante para los objetos grandes en el espacio, especialmente para las estructuras grandes como los sistemas SBSP en tránsito a través de los desechos por debajo de los 2000 km. Ya en 1978, el astrofísico Donald J. Kessler advirtió sobre una cascada de colisiones autopropagantes durante el ensamblaje de los módulos SPS en LEO, lo que ahora se conoce como síndrome de Kessler . ^{[ 61 ]}^{[ 62 ]} El riesgo de colisión se reduce mucho en GEO ya que todos los satélites se mueven en la misma dirección a una velocidad casi idéntica.
La frecuencia de transmisión del enlace descendente de microondas (si se utilizara) requeriría aislar los sistemas SBSP de otros satélites. El espacio GEO ya está muy utilizado y requeriría la coordinación con la UIT-R . ^{[ 63 ]}
El gran tamaño y el consiguiente coste de la estación receptora en tierra. El investigador del SBSP, Keith Henson , ha estimado el coste en mil millones de dólares para 5 GW .
Pérdidas de energía durante varias fases de conversión de fotones a electrones y de fotones a electrones. ^{[ 64 ]}^{[ 65 ]}
La eliminación del calor residual en los sistemas de energía espacial ya es difícil de por sí, pero se vuelve inmanejable cuando la nave espacial se diseña para absorber la mayor cantidad posible de radiación solar. Los sistemas tradicionales de control térmico de las naves espaciales , como las paletas radiantes, pueden interferir con la oclusión de los paneles solares o los transmisores de energía.
Costos de desmantelamiento: El costo de desorbitar los satélites al final de su vida útil para evitar que exacerben el problema de la basura espacial orbital debido a impactos con desechos asteroides, cometarios y planetarios ^{[ 66 ]} es probable que sea significativo. Si bien el costo futuro de impartir Delta-V es difícil de estimar, la cantidad de Delta-V que debe impartirse para transferir un satélite de GEO a GTO es de 1472 m/s ² . Si, al reingresar, el satélite en desintegración liberara sustancias químicas peligrosas en la atmósfera terrestre, entonces los gastos adicionales de desmantelar el satélite y desorbitar los componentes ambientalmente peligrosos dentro de un vehículo espacial con capacidad de descenso de masa deben ser considerados en los costos de desmantelamiento.
Dado que estos sistemas estarían en el espacio, obviamente no podrían controlarse manualmente. Los investigadores deberán crear una forma de mantener estos sistemas de manera autónoma, lo que podría generar algunos problemas técnicos. ^{[ 67 ]}
Las investigaciones también han demostrado que un aumento de la población puede incrementar la congestión y, en última instancia, podría provocar la dispersión de fragmentos de basura orbital , conclusión a la que llegó China tras una prueba realizada con su satélite. ^{[ 68 ]}

Diseño

Concepto artístico de un disco solar sobre un remolcador espacial eléctrico de órbita baja a órbita geoestacionaria .

La energía solar espacial se compone esencialmente de tres elementos: ^{[ 69 ]}

Recoger energía solar en el espacio con reflectores o espejos inflables sobre células solares o calentadores para sistemas térmicos.
Transmisión inalámbrica de energía a la Tierra mediante microondas o láser.
Recibir energía en la Tierra a través de una rectena , una antena de microondas.

La parte espacial no necesitará soportar la gravedad (salvo las tensiones mareales relativamente débiles). No necesita protección contra el viento o el clima terrestres, pero tendrá que hacer frente a peligros espaciales como micrometeoros y erupciones solares . Se han estudiado dos métodos básicos de conversión: fotovoltaico (PV) y solar dinámico (SD). La mayoría de los análisis de SBSP se han centrado en la conversión fotovoltaica mediante células solares que convierten directamente la luz solar en electricidad. El sistema solar dinámico utiliza espejos para concentrar la luz en una caldera. El uso de este sistema podría reducir la masa por vatio. La transmisión inalámbrica de energía se propuso desde el principio como un medio para transferir energía desde la recolección a la superficie terrestre, utilizando radiación de microondas o láser en diversas frecuencias.

transmisión de energía por microondas

En 1964, durante el programa de Walter Cronkite en CBS News, William C. Brown demostró un helicóptero modelo propulsado por microondas que recibía toda la energía necesaria para volar de un haz de microondas. Entre 1969 y 1975, Bill Brown fue director técnico de un programa de Raytheon del JPL que transmitía 30 kW de potencia a una distancia de 1 milla (1,6 km) con una eficiencia del 9,6 %. ^[⁷⁰^]^[⁷¹^]

El haz se dispersa debido a la difracción. A 2,45 GHz, una antena transmisora de matriz en fase de un kilómetro en órbita geoestacionaria (GEO) se dispersa hasta un diámetro de unos 10 kilómetros hasta el primer anillo de ceros. ^{[ 72 ]} La eficiencia de transmisión global es cercana al 50%, dependiendo de varios factores.

La transmisión de potencia por microondas de decenas de kilovatios ha sido bien demostrada por pruebas existentes en Goldstone en California (1975) ^{[ 71 ]}^{[ 73 ]}^{[ 74 ]} y Grand Bassin en la isla de Reunión (1997). ^{[ 75 ]}

Más recientemente, un equipo dirigido por John C. Mankins demostró la transmisión de energía por microondas, junto con la captura de energía solar, entre la cima de una montaña en Maui y la isla de Hawái (a 92 millas de distancia). ^{[ 76 ]}^{[ 77 ]} Los desafíos tecnológicos en términos de disposición de la matriz, diseño de elementos de radiación individuales y eficiencia general, así como los límites teóricos asociados, son actualmente objeto de investigación, como se demostró en la Sesión Especial sobre "Análisis de Sistemas Inalámbricos Electromagnéticos para la Transmisión de Energía Solar" celebrada durante el Simposio IEEE de Antenas y Propagación de 2010. ^{[ 78 ]} En 2013, se publicó una útil descripción general que abarca tecnologías y problemas asociados con la transmisión de energía por microondas del espacio a la tierra. Incluye una introducción a SPS, la investigación actual y las perspectivas futuras. ^{[ 79 ]} Además, una revisión de las metodologías y tecnologías actuales para el diseño de matrices de antenas para la transmisión de energía por microondas apareció en las Actas del IEEE. ^{[ 80 ]}

emisión de potencia láser

Algunos en la NASA concibieron la transmisión de energía láser como un paso previo para una mayor industrialización del espacio. En la década de 1980, investigadores de la NASA trabajaron en el uso potencial de láseres para la transmisión de energía entre espacios, centrándose principalmente en el desarrollo de un láser alimentado por energía solar. En 1989, se sugirió que la energía también podría transmitirse útilmente mediante láser desde la Tierra al espacio. En 1991, se inició el proyecto SELENE (SpacE Laser ENErgy), que incluía el estudio de la transmisión de energía láser para suministrar energía a una base lunar. El programa SELENE fue un esfuerzo de investigación de dos años, pero el costo de llevar el concepto a la fase operativa fue demasiado alto, y el proyecto oficial finalizó en 1993 antes de lograr una demostración en el espacio. ^{[ 81 ]}

Satélites solares láser

Los satélites solares láser son de menor tamaño, lo que significa que deben operar en grupo con otros satélites similares. Presentan varias ventajas, especialmente en lo que respecta a sus menores costos totales en comparación con otros satélites. Si bien su costo es menor, existen diversas preocupaciones de seguridad y otras inquietudes relacionadas con este tipo de satélite. ^{[ 82 ]} Los satélites solares emisores de láser solo necesitan ascender unos 400 km en el espacio, pero debido a su pequeña capacidad de generación, se necesitaría lanzar cientos o miles de satélites láser para lograr un impacto sostenible. El lanzamiento de un solo satélite puede costar entre cincuenta y cuatrocientos millones de dólares. Los láseres podrían ser útiles para aprovechar la energía solar captada en el espacio y devolverla a la Tierra para satisfacer la demanda energética terrestre. ^{[ 83 ]}

Ubicación orbital

La principal ventaja de ubicar una central eléctrica espacial en órbita geoestacionaria es que la geometría de la antena permanece constante, lo que simplifica su alineación. Otra ventaja es que la transmisión de energía es prácticamente continua desde el momento en que se coloca la primera central eléctrica espacial en órbita; en órbita terrestre baja (LEO) se requieren varios satélites para que produzcan energía casi continua.

La transmisión de energía desde órbita geoestacionaria mediante microondas presenta la dificultad de requerir grandes tamaños de "apertura óptica". Por ejemplo, el estudio SPS de la NASA de 1978 exigía una antena transmisora de 1 km de diámetro y una rectena receptora de 10 km de diámetro para un haz de microondas a 2,45 GHz . Estos tamaños pueden reducirse utilizando longitudes de onda más cortas, aunque esto aumenta la absorción atmosférica e incluso puede provocar el bloqueo del haz por la lluvia o las gotas de agua. Debido a la maldición del adelgazamiento de la matriz , no es posible crear un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños. El gran tamaño de las antenas transmisora y receptora implica que el nivel mínimo de potencia práctica para un SPS será necesariamente alto; si bien los sistemas SPS pequeños serán posibles, no resultarán económicamente viables.

Se ha propuesto una colección de centrales eléctricas espaciales en órbita terrestre baja (LEO ) como precursora de la energía solar espacial en órbita geoestacionaria (GEO). ^{[ 84 ]}

receptor terrestre

La rectena terrestre probablemente consistiría en muchas antenas dipolo cortas conectadas mediante diodos . Las emisiones de microondas del satélite se recibirían en los dipolos con una eficiencia de aproximadamente el 85 %. ^{[ 85 ]} Con una antena de microondas convencional, la eficiencia de recepción es mejor, pero su costo y complejidad también son considerablemente mayores. Las rectenas probablemente tendrían varios kilómetros de diámetro.

En aplicaciones espaciales

Un sistema láser de energía solar espacial (SBSP) también podría alimentar una base o vehículos en la superficie de la Luna o Marte, ahorrando en costos de masa para el aterrizaje de la fuente de energía. Una nave espacial u otro satélite también podrían alimentarse por el mismo medio. En un informe de 2012 presentado a la NASA sobre energía solar espacial, el autor menciona otro uso potencial de la tecnología detrás de la energía solar espacial podría ser para sistemas de propulsión eléctrica solar que podrían usarse para misiones de exploración humana interplanetaria. ^{[ 86 ]}^{[ 87 ]}^{[ 88 ]}

Costes de lanzamiento

Uno de los problemas del concepto SBSP es el coste de los lanzamientos espaciales y la cantidad de material que habría que lanzar.

Gran parte del material lanzado no necesita ser entregado a su órbita final de inmediato, lo que plantea la posibilidad de que motores de alta eficiencia (aunque más lentos) puedan transportar material del SPS desde LEO a GEO a un costo aceptable. Algunos ejemplos son los propulsores iónicos o la propulsión nuclear . Para comenzar el proceso, será necesario construir infraestructura que incluya paneles solares, convertidores y transmisores de energía. Esto será extremadamente costoso y su mantenimiento costará aún más.

Para dar una idea de la magnitud del problema, suponiendo una masa de panel solar de 20 kg por kilovatio (sin considerar la masa de la estructura de soporte, la antena o cualquier reducción significativa de masa de los espejos de enfoque), una central eléctrica de 4 GW pesaría aproximadamente 80 000 toneladas métricas , ^{[ 89 ]} todo lo cual, en las circunstancias actuales, se lanzaría desde la Tierra. Sin embargo, esto está lejos del estado del arte para naves espaciales en vuelo, que en 2015 era de 150 W/kg (6,7 kg/kW) y está mejorando rápidamente. ^{[ 90 ]} Los diseños ligeros probablemente podrían alcanzar 1 kg/kW, ^{[ 91 ]} lo que significa 4000 toneladas métricas para los paneles solares para la misma central de 4 GW de capacidad. Más allá de la masa de los paneles, se debe agregar el costo adicional (incluido el impulso a la órbita deseada y el mantenimiento de la posición).

A estos costos hay que añadir el impacto ambiental de las misiones de lanzamiento espacial pesadas, si se pretenden comparar con la producción de energía terrestre. A modo de comparación, el costo directo de una nueva central eléctrica de carbón ^{[ 92 ]} o nuclear oscila entre 3.000 y 6.000 millones de dólares por GW (sin incluir el costo ambiental total derivado de las emisiones _deCO₂ o del almacenamiento del combustible nuclear gastado, respectivamente).

Construyendo desde el espacio

A partir de materiales lunares lanzados en órbita

Gerard O'Neill , al observar el problema de los altos costos de lanzamiento a principios de la década de 1970, propuso construir los SPS en órbita con materiales de la Luna . ^{[ 93 ]} Los costos de lanzamiento desde la Luna son potencialmente mucho menores que desde la Tierra debido a la menor gravedad y la falta de resistencia atmosférica . Esta propuesta de la década de 1970 asumió el costo de lanzamiento futuro anunciado entonces para el transbordador espacial de la NASA. Este enfoque requeriría una inversión de capital inicial sustancial para establecer impulsores de masa en la Luna. ^{[ 94 ]} Sin embargo, el 30 de abril de 1979, el Informe Final ("Utilización de Recursos Lunares para la Construcción Espacial") de la División Convair de General Dynamics, bajo el contrato NAS9-15560 de la NASA, concluyó que el uso de recursos lunares sería más barato que los materiales terrestres para un sistema de tan solo treinta satélites de energía solar de 10 GW de capacidad cada uno. ^{[ 95 ]}

En 1980, cuando se hizo evidente que las estimaciones de costos de lanzamiento de la NASA para el transbordador espacial eran excesivamente optimistas, O'Neill et al. publicaron otra ruta de fabricación utilizando materiales lunares con costos iniciales mucho menores. ^{[ 96 ]} Este concepto SPS de la década de 1980 dependía menos de la presencia humana en el espacio y más de sistemas parcialmente autorreplicantes en la superficie lunar bajo control remoto de trabajadores estacionados en la Tierra. La alta ganancia neta de energía de esta propuesta se deriva del pozo gravitacional mucho menos profundo de la Luna .

Disponer de una fuente de materias primas del espacio relativamente barata por libra reduciría la preocupación por los diseños de baja masa y daría como resultado la construcción de un tipo diferente de SPS. El bajo costo por libra de materiales lunares en la visión de O'Neill se sustentaría en el uso de material lunar para fabricar más instalaciones en órbita que solo satélites de energía solar. Las técnicas avanzadas para el lanzamiento desde la Luna pueden reducir el costo de construir un satélite de energía solar a partir de materiales lunares. Algunas técnicas propuestas incluyen el impulsor de masa lunar y el ascensor espacial lunar , descritos por primera vez por Jerome Pearson. ^{[ 97 ]} Requeriría establecer instalaciones de extracción de silicio y fabricación de células solares en la Luna .

En la Luna

El físico Dr. David Criswell sugiere que la Luna es la ubicación óptima para las centrales de energía solar y promueve la energía solar lunar. ^{[ 98 ]}^{[ 99 ]}^{[ 100 ]} La principal ventaja que prevé es la construcción en gran medida a partir de materiales lunares disponibles localmente, utilizando la utilización de recursos in situ , con una fábrica móvil teleoperada y una grúa para ensamblar los reflectores de microondas, y rovers para ensamblar y pavimentar las células solares, ^{[ 101 ]} lo que reduciría significativamente los costos de lanzamiento en comparación con los diseños SBSP. Los satélites de retransmisión de energía que orbitan alrededor de la Tierra y la Luna reflejando el haz de microondas también forman parte del proyecto. Un proyecto de demostración de 1 GW comienza en $50 mil millones. ^{[ 102 ]} La Corporación Shimizu utiliza una combinación de láseres y microondas para el concepto Luna Ring , junto con satélites de retransmisión de energía. ^{[ 103 ]}^{[ 104 ]}

Desde un asteroide

También se ha considerado seriamente la minería de asteroides . Un estudio de diseño de la NASA ^{[ 105 ]} evaluó un vehículo minero de 10 000 toneladas (que se ensamblaría en órbita) que devolvería un fragmento de asteroide de 500 000 toneladas a la órbita geoestacionaria. Solo unas 3000 toneladas de la nave minera serían carga útil aeroespacial tradicional. El resto sería masa de reacción para el motor impulsor de masa, que podría disponerse como las etapas de cohete usadas para lanzar la carga útil. Suponiendo que el 100 % del asteroide devuelto fuera útil y que la propia nave minera no pudiera reutilizarse, esto representa una reducción de casi el 95 % en los costos de lanzamiento. Sin embargo, las verdaderas ventajas de este método dependerían de un estudio minucioso de la composición mineral de los asteroides candidatos; hasta ahora, solo tenemos estimaciones de su composición. ^{[ 106 ]} Una propuesta es capturar el asteroide Apophis en órbita terrestre y convertirlo en 150 satélites de energía solar de 5 GW cada uno o el asteroide más grande 1999 AN10, que es 50 veces el tamaño de Apophis y lo suficientemente grande como para construir 7500 satélites de energía solar de 5 gigavatios ^{[ 107 ]}

Seguridad

La posible exposición de humanos y animales en tierra a los haces de microondas de alta potencia es una preocupación significativa con estos sistemas. En la superficie de la Tierra, un haz de microondas SPSP sugerido tendría una intensidad máxima en su centro, de 23 mW/cm² ^. [ ^{108 ] Si} bien esto es menos de 1/4 de la constante de irradiación solar , las microondas penetran mucho más profundamente en el tejido que la luz solar, y a este nivel excederían los límites de exposición laboral actuales de la Ley de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) para microondas a 10 mW/cm² ^[^{109 ] A} 23 mW/cm² ^, los estudios muestran que los humanos experimentan déficits significativos en el aprendizaje espacial y la memoria. ^{[ 110 ]} Si el diámetro de la matriz SPSP propuesta se incrementa en 2,5x, la densidad de energía en el suelo aumenta a 1 W/cm² ^. [ ^{a ] A} este nivel, la dosis letal media para ratones es de 30 a 60 segundos de exposición a microondas. ^{[ 111 ]} Si bien se debe evitar diseñar una matriz con un diámetro 2,5 veces mayor, el potencial militar de doble uso de dicho sistema es fácilmente evidente.

Con un buen diseño de lóbulos laterales de la matriz, fuera del receptor puede ser inferior a los niveles a largo plazo de la OSHA ^{[ 112 ]} , ya que más del 95 % de la energía del haz incidirá en la rectena. Sin embargo, cualquier desviación accidental o intencionada del satélite podría ser mortal para la vida en la Tierra dentro del alcance del haz.

La exposición al haz puede minimizarse de varias maneras. En tierra, suponiendo que el haz esté correctamente dirigido, el acceso físico debe ser controlable (por ejemplo, mediante vallas). Las aeronaves típicas que vuelan a través del haz proporcionan a los pasajeros una cubierta metálica protectora (es decir, una jaula de Faraday ), que interceptará las microondas. Otras aeronaves ( globos , ultraligeros , etc.) pueden evitar la exposición utilizando espacio aéreo controlado, como se hace actualmente para el espacio aéreo militar y otros espacios aéreos controlados. Además, una restricción de diseño es que el haz de microondas no debe ser tan intenso como para dañar la fauna silvestre, en particular las aves. Se han sugerido ubicar las rectenas en alta mar, ^[¹¹³^]^[¹¹⁴^] pero esto presenta serios problemas, incluyendo corrosión, tensiones mecánicas y contaminación biológica.

Un enfoque comúnmente propuesto para garantizar la precisión del haz es utilizar una antena/rectena de matriz de fase retrodirectiva . Un haz de microondas "piloto" emitido desde el centro de la rectena en tierra establece un frente de fase en la antena transmisora. Allí, los circuitos en cada una de las submatrices de la antena comparan el frente de fase del haz piloto con una fase de reloj interna para controlar la fase de la señal saliente. Si el desfase con respecto al piloto se elige igual para todos los elementos, el haz transmitido debería estar centrado con precisión en la rectena y tener un alto grado de uniformidad de fase; si el haz piloto se pierde por cualquier motivo (si la antena transmisora se aleja de la rectena, por ejemplo), el valor de control de fase falla y el haz de potencia de microondas se desenfoca automáticamente. ^{[ 115 ]} Dicho sistema no enfocaría su haz de potencia de manera efectiva en ningún lugar que no tuviera un transmisor de haz piloto. Los efectos a largo plazo de la transmisión de potencia a través de la ionosfera en forma de microondas aún no se han estudiado.

Cronología

En el siglo XX

1941: Isaac Asimov publicó el relato de ciencia ficción «Razón», en el que una estación espacial transmite energía recogida del sol a diversos planetas mediante haces de microondas. «Razón» se publicó en la revista «Astounding Science Fiction».
1968: Peter Glaser introduce el concepto de un sistema de "satélites de energía solar" con kilómetros cuadrados de colectores solares en órbita geoestacionaria alta para recolectar y convertir la energía del sol en un haz de microondas para transmitir energía utilizable a grandes antenas receptoras ( rectenas ) en la Tierra para su distribución.
1973: Peter Glaser obtiene la patente estadounidense número 3.781.647 por su método de transmisión de energía a largas distancias mediante microondas desde una gran antena (de un kilómetro cuadrado) en el satélite a una mucho mayor en tierra, ahora conocida como rectena. ^{[ 8 ]}
1978–1981: El Departamento de Energía de los Estados Unidos y la NASA examinan exhaustivamente el concepto de satélite de energía solar (SPS, por sus siglas en inglés), publicando estudios de diseño y viabilidad.
1987: Plataforma de retransmisión estacionaria de gran altitud, un experimento canadiense.
1995–1997: La NASA lleva a cabo un estudio de "nueva perspectiva" sobre los conceptos y tecnologías de la energía solar espacial (SSP, por sus siglas en inglés).
1998: El Estudio de Definición del Concepto de Energía Solar Espacial (CDS, por sus siglas en inglés) identifica conceptos de energía solar espacial creíbles y comercialmente viables, al tiempo que señala los riesgos técnicos y programáticos.
1998: La agencia espacial de Japón comienza a desarrollar un sistema de energía solar espacial (SSPS), un programa que continúa hasta el día de hoy. ^{[ 116 ]}
1999: Comienza el programa de la NASA de Investigación y Tecnología Exploratoria de Energía Solar Espacial ( SERT, por sus siglas en inglés; véase más abajo ).
2000: John Mankins de la NASA testifica en la Cámara de Representantes de los Estados Unidos , diciendo: "La SSP a gran escala es un sistema de sistemas integrado muy complejo que requiere numerosos avances significativos en la tecnología y las capacidades actuales. Se ha desarrollado una hoja de ruta tecnológica que establece posibles caminos para lograr todos los avances necesarios , aunque a lo largo de varias décadas. ^{[ 12 ]}

En el siglo XXI

2001: NASDA (una de las agencias espaciales nacionales de Japón antes de integrarse en JAXA ) anuncia planes para realizar investigaciones y prototipos adicionales mediante el lanzamiento de un satélite experimental con 10 kilovatios y 1 megavatio de potencia. ^{[ 117 ]}^{[ 118 ]}
2003: Estudios de la ESA ^{[ 119 ]}
2007: La Oficina Nacional de Seguridad Espacial (NSSO) del Pentágono de EE. UU. publica un informe ^[¹²⁰^] el 10 de octubre de 2007 en el que declara su intención de recolectar energía solar del espacio para usarla en la Tierra y así contribuir a la relación de Estados Unidos con Oriente Medio y la lucha por el petróleo. Una planta piloto podría costar 10 mil millones de dólares, producir 10 megavatios y entrar en funcionamiento en 10 años. ^[¹²¹^]
2007: En mayo de 2007, se celebró un taller en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) de EE. UU. para revisar el estado actual del mercado y la tecnología de SBSP. ^{[ 122 ]}
2010: Los profesores Andrea Massa y Giorgio Franceschetti anuncian una sesión especial sobre el "Análisis de sistemas inalámbricos electromagnéticos para la transmisión de energía solar" en el Simposio Internacional de Antenas y Propagación del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de 2010. ^{[ 123 ]}
2010: La Organización India de Investigación Espacial y la Sociedad Espacial Nacional de EE. UU. lanzaron un foro conjunto para fortalecer la colaboración en el aprovechamiento de la energía solar mediante colectores solares espaciales. Denominado Iniciativa Kalam-NSS en honor al expresidente indio Dr. APJ Abdul Kalam , el foro sentará las bases para el programa de energía solar espacial, al que podrían unirse otros países. ^{[ 124 ]}
2010: El cielo no tiene límites: ¿La energía solar espacial, el próximo gran paso en la asociación estratégica entre India y Estados Unidos?, escrito por el teniente coronel de la USAF Peter Garretson, fue publicado en el Instituto de Estudios y Análisis de Defensa. ^{[ 125 ]}
2012: China propuso el desarrollo conjunto entre India y China para el desarrollo de un satélite de energía solar, durante una visita del expresidente indio Dr. APJ Abdul Kalam . ^{[ 39 ]}
2015: Se crea la Iniciativa de Energía Solar Espacial (SSPI, por sus siglas en inglés) entre Caltech y Northrop Grumman Corporation. Se prevé una inversión estimada de 17,5 millones de dólares a lo largo de un proyecto de tres años para el desarrollo de un sistema de energía solar espacial.
2015: JAXA anunció el 12 de marzo de 2015 que transmitieron de forma inalámbrica 1,8 kilovatios a 50 metros de distancia a un pequeño receptor mediante la conversión de electricidad en microondas y posteriormente de nuevo en electricidad. ^{[ 46 ]}^{[ 47 ]}
2016: El teniente general Zhang Yulin, subdirector del departamento de desarrollo de armamento de la Comisión Militar Central del Ejército Popular de Liberación (EPL), sugirió que China comenzaría a explotar el espacio Tierra-Luna para el desarrollo industrial. El objetivo sería la construcción de satélites solares espaciales que transmitirían energía a la Tierra. ^{[ 126 ]}
2016: Un equipo integrado por miembros del Laboratorio de Investigación Naval (NRL), la Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA), la Universidad Aérea de la Fuerza Aérea, el Estado Mayor Conjunto de Logística (J-4), el Departamento de Estado, Makins Aerospace y Northrop Grumman ganó el Desafío de Innovación D3 (Diplomacia, Desarrollo, Defensa) de la Secretaría de Defensa (SECDEF), la Secretaría de Estado (SECSTATE) y el Director de USAID con una propuesta que planteaba que Estados Unidos debía liderar la energía solar espacial. La propuesta fue seguida de un vídeo explicativo.
2016: Citizens for Space-Based Solar Power ha transformado la propuesta D3 en peticiones activas en el sitio web de la Casa Blanca "Estados Unidos debe liderar la transición a la energía espacial" y Change.org "EE. UU. debe liderar la transición a la energía espacial" junto con el siguiente video .
2016: Erik Larson y otros de la NOAA publican un documento titulado "Respuesta atmosférica global a las emisiones de un sistema de lanzamiento espacial reutilizable propuesto" ^{[ 127 ].} El documento argumenta que se podrían construir satélites de hasta 2 TW/año de potencia sin causar daños intolerables a la atmósfera. Antes de este documento, existía la preocupación de que el NO _x producido por la reentrada destruyera demasiado ozono.
2016: Ian Cash de SICA Design propone CASSIOPeiA (Constant Aperture, Solid State, Integrated, Orbital Phased Array), un nuevo concepto. Listado de profesores de SPS | Ingeniería Eléctrica e Informática
2017: La NASA selecciona cinco nuevas propuestas de investigación centradas en inversiones en el espacio. La Escuela de Minas de Colorado se centra en las "Tendencias del siglo XXI en la generación y el almacenamiento de energía solar en el espacio".
2019: Aditya Baraskar y el Prof. Toshiya Hanada del Laboratorio de Dinámica de Sistemas Espaciales de la Universidad de Kyushu propusieron Energy Orbit (E-Orbit), ^{[ 128 ]} una pequeña constelación de satélites de energía solar espacial para la transmisión de energía entre satélites en órbita terrestre baja. Un total de 1600 satélites para transmitir 10 kilovatios de electricidad en un radio de 500 km a una altitud de 900 km. ^{[ 129 ]}
2019: China crea una base de pruebas para la tecnología SBSP y anuncia un plan para poner en marcha una central SBSP operativa de 200 toneladas y potencia equivalente a un megavatio para el año 2035.
2020: El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. lanza un satélite de prueba. ^{[ 130 ]} Asimismo, la USAF tiene su Proyecto de Investigación y Demostraciones Incrementales de Energía Solar Espacial (SSPIDR) planeando lanzar el satélite de prueba ARACHNE. ^{[ 131 ]} El lanzamiento de Arachne está previsto para 2024. ^{[ 132 ]}
2021: Caltech anuncia que planea lanzar un conjunto de pruebas SBSP para 2023.
2022: La Iniciativa de Energía Espacial del Reino Unido anunció el lanzamiento de la primera central eléctrica en el espacio a mediados de la década de 2040, para "proporcionar el 30 por ciento de la demanda de electricidad del Reino Unido (que ha aumentado considerablemente)" y "reducir drásticamente la dependencia del Reino Unido de los combustibles fósiles" y los vínculos con el extranjero. ^{[ 133 ]}
2022: La Agencia Espacial Europea propuso un programa llamado SOLARIS para operar satélites de energía solar a partir de 2030. ^{[ 134 ]}
2023: El 3 de marzo de 2023, el experimento MAPLE de Caltech (llevado a cabo por un equipo liderado por Ali Hajimiri ) como parte del Demostrador de Energía Solar Espacial (SSPD-1) demostró por primera vez la transmisión inalámbrica de energía en el espacio, dirigiendo selectivamente la energía a dos receptores diferentes en el espacio. ^{[ 5 ]} Además, transmitió "energía detectable" a la Tierra. ^{[ 135 ]}^{[ 136 ]}
2025: Investigadores del King's College de Londres estiman que para 2050 la energía solar espacial podría proporcionar a Europa la mayor parte de sus necesidades de energía renovable. ^{[ 137 ]}^{[ 138 ]}

Configuraciones atípicas y consideraciones arquitectónicas

El sistema de sistemas de referencia típico implica un número significativo (varios miles de sistemas multigigavatios para cubrir la totalidad o una parte significativa de las necesidades energéticas de la Tierra) de satélites individuales en órbita geoestacionaria (GEO). El diseño de referencia típico para cada satélite individual se encuentra en el rango de 1 a 10 GW y generalmente utiliza paneles solares fotovoltaicos (PV) planares o concentrados como colectores/convertidores de energía. Los diseños de transmisión más comunes se encuentran en la banda de radiofrecuencia (RF) de 1 a 10 GHz (2,45 o 5,8 GHz), donde las pérdidas en la atmósfera son mínimas. Los materiales para los satélites se obtienen y fabrican en la Tierra y se espera que se transporten a la órbita terrestre baja (LEO) mediante un cohete reutilizable, y entre LEO y GEO mediante propulsión química o eléctrica. En resumen, las opciones de arquitectura son:

Ubicación = GEO
Recolección de energía = Fotovoltaica
Satélite = Estructura monolítica
Transmisión = RF
Materiales y fabricación = Tierra
Instalación = Vehículos de lanzamiento reutilizables a órbita terrestre baja, productos químicos a órbita geoestacionaria

Existen varias variantes de diseño interesantes a partir del sistema de referencia:

Ubicación alternativa para la captación de energía: Si bien la órbita geoestacionaria (GEO) es la más típica debido a sus ventajas de proximidad a la Tierra, apuntamiento y seguimiento simplificados, corto tiempo de ocultación y escalabilidad para satisfacer toda la demanda global varias veces, se han propuesto otras ubicaciones:

L1 Sol-Tierra: Robert Kennedy III, Ken Roy y David Fields propusieron una variante del parasol L1 llamada "Dyson Dots" ^{[ 139 ],} donde un colector primario de varios teravatios enviaría energía de vuelta a una serie de satélites receptores heliosíncronos en órbita terrestre baja (LEO). La mayor distancia a la Tierra requiere una apertura de transmisión correspondientemente mayor.
Superficie lunar: David Criswell ha propuesto utilizar la propia superficie lunar como medio de captación, transmitiendo energía a la Tierra mediante una serie de reflectores de microondas en órbita terrestre. La principal ventaja de este enfoque sería la posibilidad de fabricar los colectores solares in situ, sin el coste energético ni la complejidad del lanzamiento. Entre las desventajas se incluyen la mayor distancia, que requiere sistemas de transmisión más grandes, la necesidad de una mayor infraestructura para hacer frente a la noche lunar y la dificultad de fabricar y orientar correctamente los satélites reflectores. ^{[ 140 ]}
MEO: Se han propuesto sistemas MEO para utilidades en el espacio e infraestructuras de propulsión por haz de energía. Por ejemplo, véase el artículo de Royce Jones. ^{[ 141 ]}
Órbitas altamente elípticas: Las órbitas Molniya, Tundra o Quazi Zenith se han propuesto como ubicaciones tempranas para mercados nicho, que requieren menos energía para acceder y proporcionan buena persistencia. ^{[ 142 ]}
Órbita terrestre baja (LEO) con sincronización solar: En esta órbita casi polar, los satélites precesan a una velocidad que les permite orientarse siempre hacia el Sol mientras giran alrededor de la Tierra. Esta órbita es de fácil acceso y requiere mucha menos energía; además, su proximidad a la Tierra permite el uso de antenas transmisoras más pequeñas (y, por lo tanto, menos masivas). Sin embargo, entre las desventajas de este enfoque se incluyen la necesidad de cambiar constantemente las estaciones receptoras o almacenar energía para una transmisión en ráfaga. Esta órbita ya está saturada y contiene una cantidad considerable de basura espacial.
LEO ecuatorial: El SPS 2000 de Japón propuso un demostrador inicial en LEO ecuatorial en el que varias naciones participantes ecuatoriales podrían recibir algo de energía. ^{[ 143 ]}
Superficie terrestre: Narayan Komerath ha propuesto una red eléctrica espacial donde el exceso de energía de una red o central eléctrica existente en un lado del planeta puede transmitirse a la órbita, a otro satélite y de allí a los receptores. ^{[ 144 ]}

Captación de energía: Los diseños más típicos para satélites de energía solar incluyen paneles fotovoltaicos. Estos pueden ser planos (y generalmente refrigerados pasivamente) o concentrados (y posiblemente refrigerados activamente). Sin embargo, existen varias variantes interesantes.

Energía solar térmica: Los defensores de la energía solar térmica han propuesto utilizar calentamiento concentrado para provocar un cambio de estado en un fluido y extraer energía mediante maquinaria rotativa, seguido de enfriamiento en radiadores. Las ventajas de este método podrían incluir la masa total del sistema (discutido), la eliminación de la degradación debida al daño solar-viento y la tolerancia a la radiación. Un diseño reciente de satélite de energía solar térmica de Keith Henson y otros se ha visualizado aquí. Concepto de energía solar térmica espacial Un concepto relacionado está aquí: Arranque de energía dirigida Los radiadores propuestos son tubos de plástico de pared delgada llenos de vapor a baja presión (2,4 kPa) y temperatura (20 °C).
Láser bombeado por energía solar: Japón ha impulsado la creación de un láser bombeado por energía solar , en el que la luz solar excita directamente el medio láser utilizado para crear el haz coherente hacia la Tierra.
Stellaser: Un concepto hipotético de un gran láser donde una estrella proporciona tanto la energía láser como el medio láser, produciendo un haz de energía orientable de potencia inigualable.
Desintegración por fusión: Esta versión de satélite de energía no es "solar". Más bien, el vacío del espacio se considera una ventaja, no un inconveniente, para la fusión tradicional. Según Paul Werbos, después de la fusión, incluso las partículas neutras se desintegran en partículas cargadas que, en un volumen suficientemente grande, permitirían la conversión directa en corriente eléctrica.
Bucle de viento solar : También llamado satélite de Dyson-Harrop . En este caso, el satélite no utiliza los fotones del Sol, sino las partículas cargadas del viento solar que, mediante acoplamiento electromagnético, generan una corriente en un gran bucle.
Espejos directos: Los primeros conceptos para redirigir la luz hacia la Tierra mediante espejos directos adolecían del problema de que los rayos provenientes del sol no son paralelos, sino que se expanden desde un disco, por lo que el tamaño del punto reflejado en la Tierra es bastante grande. Lewis Fraas ha explorado una matriz de espejos parabólicos para complementar los paneles solares existentes. ^{[ 145 ]}

Arquitectura satelital alternativa: El satélite típico es una estructura monolítica compuesta por una estructura de celosía, uno o más colectores, uno o más transmisores y, ocasionalmente, reflectores primarios y secundarios. Toda la estructura puede estabilizarse mediante gradiente gravitatorio. Los diseños alternativos incluyen:

Enjambres de satélites más pequeños: Algunos diseños proponen enjambres de satélites más pequeños de vuelo libre. Este es el caso de varios diseños láser, y parece ser el caso de las Alfombras Voladoras de CALTECH. ^{[ 146 ]} Para los diseños de RF, una limitación de ingeniería es el problema de la matriz adelgazada .
Componentes flotantes libres: Solaren ha propuesto una alternativa a la estructura monolítica donde el reflector primario y el reflector de transmisión están flotando libremente. ^{[ 147 ]}
Estabilización por espín: la NASA exploró un concepto de película delgada estabilizada por espín.
Estructura estabilizada por propulsor láser fotónico (PLT): Young Bae ha propuesto que la presión de los fotones puede sustituir a los elementos compresivos en grandes estructuras. ^{[ 148 ]}

Transmisión: El diseño más típico para la transmisión de energía consiste en una antena de radiofrecuencia (RF) a menos de 10 GHz conectada a una rectena en tierra. Existe controversia sobre las ventajas de los klistrones, girotrones, magnetrones y la tecnología de estado sólido. Entre los enfoques de transmisión alternativos se incluyen:

Láser: Los láseres ofrecen la ventaja de un costo y masa mucho menores para alcanzar la primera potencia; sin embargo, existe controversia respecto a sus beneficios en cuanto a eficiencia. Permiten aperturas de transmisión y recepción mucho más pequeñas. No obstante, un haz altamente concentrado plantea preocupaciones sobre la seguridad ocular, la seguridad contra incendios y su posible uso como arma. Quienes defienden su uso creen tener soluciones para todas estas preocupaciones. Un enfoque basado en láser también debe encontrar formas alternativas de lidiar con las nubes y la precipitación.
Guía de ondas atmosférica: Algunos han propuesto que podría ser posible utilizar un láser de pulso corto para crear una guía de ondas atmosférica a través de la cual podrían fluir microondas concentradas. ^{[ 149 ]}^{[ 150 ]}^{[ 151 ]}
Síntesis nuclear: Los aceleradores de partículas ubicados en el sistema solar interior (ya sea en órbita o en un planeta como Mercurio ) podrían utilizar la energía solar para sintetizar combustible nuclear a partir de materiales naturales. Si bien esto sería muy ineficiente con la tecnología actual (en términos de la cantidad de energía necesaria para fabricar el combustible en comparación con la cantidad de energía contenida en él) y plantearía evidentes problemas de seguridad nuclear , la tecnología básica en la que se basaría este enfoque se ha utilizado durante décadas, lo que lo convierte posiblemente en el medio más fiable para enviar energía, especialmente a largas distancias, en particular, desde el sistema solar interior al sistema solar exterior.

Materiales y fabricación: Los diseños típicos utilizan el sistema de fabricación industrial desarrollado que existe en la Tierra y emplean materiales terrestres tanto para el satélite como para el propulsor. Las variantes incluyen:

Materiales lunares: Existen diseños de satélites de energía solar que obtienen más del 99 % de sus materiales del regolito lunar, con pequeñas aportaciones de "vitaminas" procedentes de otras regiones. El uso de materiales lunares resulta atractivo porque, en teoría, el lanzamiento desde la Luna es mucho menos complejo que desde la Tierra. Al no haber atmósfera, los componentes no necesitan estar embalados herméticamente en una carcasa aerodinámica ni soportar vibraciones, presiones y temperaturas extremas. El lanzamiento puede realizarse mediante un propulsor magnético, eliminando por completo la necesidad de utilizar combustible. Además, el lanzamiento desde la órbita geoestacionaria lunar requiere mucha menos energía que desde la gravedad terrestre, mucho más intensa. La construcción de todos los satélites de energía solar necesarios para abastecer completamente la energía del planeta requiere menos de una millonésima parte de la masa de la Luna.
Autorreplicación en la Luna: La NASA exploró una fábrica autorreplicante en la Luna a principios de la década de 1980. ^{[ 152 ]} Más recientemente, Justin Lewis-Webber propuso un método de fabricación especializada de elementos centrales ^{[ 153 ]} basado en el diseño SPS-Alpha de John Mankins. ^{[ 154 ]}^{[ 155 ]}
Materiales asteroides: Se cree que algunos asteroides tienen un Delta-V incluso menor que la Luna para recuperar materiales, y algunos materiales de interés, como los metales, pueden estar más concentrados o ser más fáciles de acceder.
Fabricación en el espacio/in situ: Con la llegada de la fabricación aditiva en el espacio, conceptos como SpiderFab podrían permitir el lanzamiento masivo de materias primas para la extrusión local. ^{[ 156 ]}

Método de instalación / Transporte de material al lugar de recolección de energía: En los diseños de referencia, el material componente se lanza mediante cohetes químicos bien conocidos (generalmente sistemas de lanzamiento totalmente reutilizables) a la órbita terrestre baja (LEO), tras lo cual se utiliza propulsión química o eléctrica para transportarlo a la órbita geoestacionaria (GEO). Las características deseadas para este sistema son un alto flujo másico a un bajo costo total. Los conceptos alternativos incluyen:

Lanzamiento químico lunar: ULA ha presentado recientemente un concepto para un módulo de aterrizaje químico totalmente reutilizable, XEUS, para transportar materiales desde la superficie lunar a LLO o GEO. ^{[ 157 ]}
Propulsor de masa lunar : Lanzamiento de materiales desde la superficie lunar mediante un sistema similar a la catapulta electromagnética de un portaaviones. Una alternativa compacta aún no explorada sería el slingatrón.
Ascensor espacial lunar : Un cable ecuatorial o cercano al ecuador se extiende hasta el punto de Lagrange y lo atraviesa. Sus defensores afirman que su masa es menor que la de un propulsor de masas tradicional.
Ascensor espacial : Una cinta de nanotubos de carbono puros se extiende desde su centro de gravedad en órbita geoestacionaria, permitiendo a los escaladores ascender hasta dicha órbita. Entre los problemas que presenta se encuentran el desafío de crear una cinta de tal longitud (¡36 000 km!) con la resistencia adecuada, la gestión de colisiones con satélites y basura espacial, y los rayos.
MEO Skyhook: Como parte de un estudio del AFRL, Roger Lenard propuso un MEO Skyhook. Al parecer, se puede construir un cable estabilizado por gradiente gravitatorio, con su centro de masa en órbita terrestre media (MEO), utilizando materiales disponibles. La parte inferior del Skyhook se encuentra cerca de la atmósfera, en una órbita no kepleriana. Un cohete reutilizable puede lanzarse para igualar la altitud y la velocidad con la parte inferior del cable, que se encuentra en una órbita no kepleriana (a una velocidad mucho menor que la velocidad orbital típica). La carga útil se transfiere y asciende por el cable. El cable se mantiene en órbita mediante propulsión eléctrica y/o efectos electromagnéticos.
Lanzamiento MAGLEV / StarTram : John Powell tiene un concepto para un sistema de alto flujo de masa. En un sistema de primera generación, construido en una montaña, acelera una carga útil a través de una pista MAGLEV evacuada. Un pequeño cohete a bordo circulariza la carga útil. ^{[ 158 ]}
Lanzamiento mediante energía dirigida: Kevin Parkin y Escape Dynamics tienen conceptos ^{[ 159 ]} para la irradiación terrestre de un vehículo de lanzamiento monopropelente utilizando energía de radiofrecuencia (RF). La energía de RF se absorbe y calienta directamente el propelente, de forma similar al sistema termonuclear NERVA. LaserMotive tiene un concepto para un enfoque basado en láser.

Galería

Una base lunar con un propulsor de masas (la estructura alargada que se extiende hacia el horizonte). Ilustración conceptual de la NASA.
Representación artística de una fábrica lunar robótica "de crecimiento autónomo".
Reflectores de microondas en la Luna y un vehículo robótico teleoperado para pavimentación y una grúa.
El "Operador" recorre la superficie lunar, alisando y fundiendo una capa superior de regolito, para luego depositar elementos de células fotovoltaicas de silicio directamente sobre la superficie.
Boceto del vehículo lunar que se utilizará para la fabricación de células solares lunares en la superficie de la Luna.
Aquí se muestra un conjunto de colectores solares que convierten la energía en haces de microondas dirigidos hacia la Tierra.
Un satélite de energía solar construido a partir de un asteroide extraído.

Véase también

Dinámica y control de la actitud : proceso de control de la orientación de un vehículo aeroespacial. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección.
Ecuación de transmisión de Friis : fórmula en ingeniería de telecomunicaciones para el rendimiento de antenas.
Desarrollo energético futuro : métodos para la producción de energía. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento.
Mantenimiento de la posición orbital : mantenimiento de una órbita determinada.
Proyecto Tierra (serie de televisión)
Solaris SBSP – Proyecto de energía solar espacial. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento.
Centro de datos espacial
Espejo espacial (ingeniería climática) : satélites artificiales diseñados para modificar la cantidad de radiación solar que incide sobre la Tierra. Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redirección.
Znamya : experimentos rusos con espejos orbitales en la década de 1990.

Notas

↑ Un aumento de 2,5x en el diámetro de la matriz espacial incrementa el número de elementos de la matriz en 6,25x, lo que aumenta la potencia total transmitida en este factor. Además, para un haz de microondas coherente, el área del punto en tierra disminuye en 6,25x, por lo tanto, la densidad de potencia en tierra aumenta en 6,25²⁼ 40x. Esto aumenta los 23 W/cm²^propuestos aaproximadamente 1 W/cm²^.

Referencias

La National Space Society mantiene una extensa biblioteca sobre energía solar espacial (archivada el 14 de abril de 2018 en la Wayback Machine) de todos los principales documentos y estudios históricos relacionados con la energía solar espacial, y los principales artículos de noticias (archivados el 29 de mayo de 2016 en la Wayback Machine) .

↑ Day, Dwayne A. (10 de diciembre de 2018). "Fuerzas de la oscuridad y la luz: cómo los temores al agotamiento de los recursos y la guerra nuclear influyeron en la política espacial estadounidense durante las décadas de 1970 y 1980" . The Space Review . Consultado el 23 de marzo de 2026 .
↑ "La Cúpula Dorada es una apuesta de un billón de dólares" . War on the Rocks . 19 de septiembre de 2025.
↑ "Laboratorio de Investigación Naval lanza un experimento de energía solar en el avión espacial X-37B" . Forbes . 27 de mayo de 2020.
↑ "Caltech anuncia una donación histórica de 100 millones de dólares para financiar un proyecto de energía solar espacial" . Instituto Tecnológico de California . 3 de agosto de 2021. Consultado el 18 de agosto de 2021 .
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