Soluzioni energetiche spaziali per un'energia pulita senza fine

Spingere in alto le energie rinnovabili

La spinta a decarbonizzare ed elettrificare i nostri sistemi energetici si basa attualmente sulle energie rinnovabili, in particolare eolica e solare. Anche l’energia geotermica e l’energia nucleare potrebbero aiutare.

Purtroppo ciascuna di queste soluzioni soffre di alcune limitazioni:

• L’energia geotermica è ancora poco provata quando si tratta di produzione su larga scala e dipende da risorse di calore locali ineguali.
• Il nucleare è impopolare, produce scorie nucleari e richiede molto capitale iniziale. Ciò ne ostacola l'adozione, anche se la maggior parte di questi problemi potrebbero essere risolti entro 4^thsistemi di generazione nucleare.
• Le energie rinnovabili soffrono di intermittenza, costringendo anche le reti elettriche più verdi a investire ingenti somme in batterie e altre forme di accumulo di energia.

Quando si tratta di energia solare, l’intermittenza sembra una caratteristica inevitabile, con la Terra di notte per metà del tempo. A peggiorare questo problema, la copertura nuvolosa può ridurre drasticamente la produzione di energia per settimane o addirittura mesi in alcune regioni del mondo, e questo senza parlare dei problemi causati dalla polvere o dalla neve.

E se, per evitare problemi notturni e climatici, installassimo la nostra base di energia solare nello spazio? Come funzionerebbe? Esiste un altro modo per alimentare le civiltà terrestri dallo spazio?

Energia solare dallo spazio

La prima caratteristica fondamentale dell'energia solare spaziale è che, mentre i satelliti orbitano attorno alla Terra, possono essere posizionati in un'orbita che non si trova mai nell'ombra terrestre, producendo energia 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX. Questo non solo raddoppia la produzione, ma elimina anche la necessità di batterie per gli impianti solari terrestri.

In combinazione con l’assenza di una produzione ridotta in inverno o a causa delle nuvole, l’energia solare intermittente si trasforma in un’energia di carico di base quasi perfetta.

Un altro fattore è che l'atmosfera assorbe gran parte della luce solare anche in assenza di nuvole. L'inclinazione e la forma sferica della Terra riducono inoltre la quantità di luce solare che colpisce il suolo lontano dalla regione equatoriale.

I pannelli solari orbitali non soffrono di nessuna di queste limitazioni. Grazie a tutti questi fattori combinati, un pannello solare in orbita potrebbe produrre fino a 40 volte di più di uno a terra.

Come funziona?

Sappiamo già come produrre energia solare nello spazio, con pannelli solari ad alte prestazioni che già alimentano praticamente tutti i satelliti e la ISS. In teoria, basterebbe mandare in orbita molti più pannelli solari e rimandare l'energia sulla Terra.

Fonte: Solar.com

Sorprendentemente, la parte di restituzione del potere non è così difficile come si potrebbe immaginare. Il concetto dominante finora è quello di utilizzare le microonde (2.45 GHz), che non vengono assorbite dalle nuvole. Le microonde vengono poi assorbite e riconvertite in elettricità grazie ad un tipo di antenna dedicata chiamata rectenna.

In alternativa, l’energia potrebbe anche essere restituita con i laser.

Fonte: ESA – Agenzia spaziale europea

Rispedire un'enorme quantità di energia sulla superficie terrestre potrebbe sembrare un po' preoccupante. Tende a creare l'immagine di un raggio mortale da supercriminale fantascientifico. Tuttavia, in pratica, un raggio del genere sarebbe ricco di energia, ma non abbastanza potente da rappresentare un pericolo per la superficie.

Va notato che uno dei vantaggi di questo sistema è che l'energia DC creata dai pannelli solari può essere utilizzata direttamente per trasmetterla verso il basso, mentre l'energia AC viene creata solo a terra per immettere l'elettricità nella rete.

Perché ora?

Costi solari

Produrre energia da impianti solari orbitali è una vecchia idea. Ma è solo ora che sembra che possa diventare fattibile.

Il primo motivo è la crescente inefficienza e il calo dei costi dei pannelli solari, che sono gli stessi fattori che li hanno resi un’opzione praticabile sul campo.

Fonte: Canale di notizie 3

Ulteriori progressi tecnologici potrebbero comportare un ulteriore aumento dell’efficienza di conversione. Attualmente, i pannelli solari terrestri comunemente utilizzati hanno un’efficienza compresa tra il 20 e il 23%. Quelli utilizzati nello spazio raggiungono spesso il 30%, poiché il costo aggiuntivo è compensato dal minor peso da trasportare in orbita, con un ulteriore guadagno previsto.

“Gli attuali pannelli utilizzati nello spazio raggiungono un’efficienza dell’ordine del 30% nel convertire la luce solare in elettricità, e nei prossimi 20 anni prevediamo che raggiungano il 40%

Nicola Rossi, Responsabile Innovazione del Gruppo Enel

Costi di lancio

L'altro elefante nella stanza è il crollo dei costi per raggiungere l'orbita, quasi interamente dovuto ai successi di SpaceX nei razzi riutilizzabili. Questo costo è già stato dimezzato e si prevede che continuerà a ridursi con il lancio di Starship e la produzione in serie del razzo più grande della storia.

Fonte: Arca Investire

Quando i costi di lancio erano di 7,716 sterline per chilogrammo, rappresentavano circa 154 sterline per watt di “costi di installazione”, rispetto a sole 2-1.5 sterline a terra. Ma se i costi di lancio possono scendere abbastanza in basso, ciò rende il solare spaziale fattibile dal punto di vista economico. E Elon Musk punta a soli 100 dollari al kg nel lungo periodo, grazie alla piena riutilizzabilità dell'enorme carico utile dell'astronave.

Limitazioni dell'energia solare spaziale

Prezzo e costi di lancio

Come spiegato in precedenza, l’energia solare è sostenibile solo se i costi di lancio diminuiscono in modo significativo. Anche se ciò potrebbe accadere, non è chiaro quanto velocemente si possa ottenere un’altra riduzione di 10 volte dei costi di lancio orbitale.

Ciò potrebbe ritardare in modo significativo l’adozione dell’energia solare spaziale con la maggior parte dei progetti prototipo di grandi dimensioni (vicini alla scala MW) non previsti prima del 2025-2030 nella migliore delle ipotesi. Non sarà possibile ottenere un impatto significativo prima di costruire tali sistemi 1,000 volte più grandi a livello di GW.

Disordine orbitale

Un’altra preoccupazione è la durabilità nella vita reale dei pannelli solari in orbita. Lo spazio è un ambiente ostile e ad alta radiazione e i pannelli si degraderanno nel tempo. È probabile che lo stesso accada ai componenti elettronici come l’antenna a microonde.

Inoltre, lo spazio orbitale sta diventando sempre più disordinato. I detriti spaziali stanno diventando una seria preoccupazione e le costellazioni di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) stanno aumentando esponenzialmente il numero di oggetti attorno al nostro pianeta.

Gli impianti solari spaziali avrebbero una superficie di diversi chilometri quadrati, il che li renderebbe probabilmente colpiti regolarmente dai detriti spaziali. Anche i micrometeoriti diventeranno un problema se avranno abbastanza superficie e tempo.

Nello scenario peggiore, un impatto di grande entità creerebbe più detriti, che a loro volta creerebbero altri detriti, in una cascata catastrofica che distruggerebbe la maggior parte dei satelliti terrestri. Questo è un fenomeno nota come sindrome di Kessler.

Attualmente, la sindrome di Kessler sarebbe sufficientemente dannosa, distruggendo le telecomunicazioni, le immagini spaziali e la scienza, nonché i sistemi di rilevamento tempestivo delle armi nucleari.

Ma se gran parte dell'energia della Terra fosse fornita da impianti solari orbitali, un evento del genere sarebbe ancora più devastante.

Durabilità e riciclaggio

Tranne che se si trovano in un'orbita molto distante, lontana dal LEO, le traiettorie dei satelliti tendono a diminuire abbastanza rapidamente. Quindi le centrali solari dovranno essere spinte su orbite più alte, verso orbite geostazionarie (GEO), aumentando i costi poiché richiedono una maggiore capacità di lancio.

Ciò mette anche in discussione il loro riciclaggio, poiché questi pannelli solari consumeranno molte risorse preziose e non rinnovabili, compreso l’argento.

Quindi, nel lungo termine, qualsiasi infrastruttura di energia solare su larga scala dovrà anche padroneggiare il riciclaggio dei pannelli invece di distruggerli mantenendoli in orbita o precipitando sulla Terra.

Infine, l’invio di materiale in orbita richiede un elevato consumo di energia. Quindi, solo i razzi ad alta efficienza renderanno praticabile il processo, consentendo ai pannelli solari orbitali di “ripagare” l’energia utilizzata non solo per fabbricarli ma anche per mandarli in orbita.

Perdite di energia

Come abbiamo detto, i pannelli solari nello spazio ricevono molta più energia che sulla terra. Tuttavia, prima di alimentare la rete devono anche sottoporsi a molti passaggi aggiuntivi rispetto ai sistemi a terra:

• A terra: raccoglie la luce solare -> converte la corrente continua in corrente alternata -> invia energia alla rete.
• Basato sullo spazio: raccoglie la luce solare -> converte le microonde -> riconverte le microonde in elettricità -> converte la corrente continua in corrente alternata -> invia energia alla rete.

I molteplici passaggi aggiuntivi che coinvolgono la trasmissione delle microonde causano enormi perdite di energia, aggiungendo al massimo il 30-40% di luce solare -> efficienza di conversione di potenza.

"Il sistema che abbiamo utilizzato nella nostra dimostrazione aveva un'efficienza end-to-end di circa il 5%. Non è un valore praticabile dal punto di vista operativo, nonostante la luce solare sia gratuita. Affinché un impianto solare spaziale abbia senso, l'efficienza dovrebbe attestarsi almeno intorno al 20%".

Jean-Dominique Coste – Senior Manager presso Airbus Blue Sky

Orbite stabili e vento solare

Un'ultima domanda è come gestire la traiettoria orbitale degli impianti solari.

Il pannello solare dovrà costantemente modificare la sua posizione per ricevere la massima esposizione al sole. I fasci di microonde dovranno essere costantemente reindirizzati per colpire la giusta area della superficie terrestre.

Grazie alla loro leggerezza e alla massima esposizione alla luce solare, i pannelli solari saranno spinti dalle ali del sole e dalla luce. In effetti, si ritiene che questa pressione della luce crei vele solari per spingere le astronavi.

Nel contesto di una centrale solare orbitale che deve rimanere stabile, questo potrebbe diventare un problema.

Prospettive generali del fotovoltaico spaziale

Gran parte del futuro dell’energia solare spaziale dipenderà dallo sviluppo dell’industria spaziale nel suo complesso. Alcuni fattori chiave dovranno interagire insieme affinché ciò accada:

• La crescita del settore consente la scalabilità e l’innovazione per ridurre i costi di lancio ai livelli richiesti.
• Sviluppo di un'economia industriale orbitale e/o cislunare, almeno per la manutenzione e il riciclaggio dei satelliti energetici.
• Gestione corretta dei detriti spaziali e mantenimento dell'orbita in una zona neutrale e pacifica.

Alternativa al solare spaziale fotovoltaico

Specchi solari e orbitali concentrati

Il sistema luce -> energia -> microonde -> ritorno all’energia sta causando intrinsecamente enormi perdite, che controbilanciano in parte la maggiore produzione solare derivante dallo spazio.

Questa è anche una critica fondamentale a questo concetto abbracciato nientemeno che da Elon Musk già nel 2012

“Lascia che ti parli di uno dei miei pezzi preferiti: l’energia solare spaziale. OK, la cosa più stupida di sempre.

E se qualcuno dovesse pensare che gli piacesse l'energia solare spaziale, sarei io. Ho una compagnia missilistica e una compagnia solare. Dovrei essere tipo – dovrei davvero esserne coinvolto, sai.

Naturalmente molte cose sono cambiate dal 2012. I prezzi dei pannelli solari e i costi di lancio sono crollati. E la necessità di produzione di energia rinnovabile di carico di base è molto maggiore.

Tuttavia, potrebbe esserci un’alternativa: riflettere direttamente la luce solare invece di catturarla con i pannelli fotovoltaici. Ciò potrebbe essere ottenuto mettendo in orbita uno specchio gigante.

Un vantaggio di questo metodo è che sappiamo come costruire specchi ultraleggeri e ultrasottili nello spazio, utilizzando un foglio di alluminio. Poiché il materiale deve solo essere riflettente senza componenti elettronici, può essere molto più economico e leggero per metro quadrato rispetto a una cella fotovoltaica.

L'idea è particolarmente sostenuta da Ben Nowack, fondatore di Reflect Orbital, l'Università di Glasgow SOLSPACE (con una sovvenzione di 2.5 milioni di euro da parte del Consiglio europeo della ricerca) e gigante dell’energia Laborelec di Engie.

L’idea è quella di alimentare i parchi solari a terra durante la notte irradiando la luce solare verso di loro. Quindi, il modello di business sarebbe quello di “vendere” la luce solare alle utenze solari terrestri.

Un sistema del genere non sarebbe in grado di attraversare la copertura nuvolosa, ma potrebbe essere un’ottima opzione per i parchi solari installati in aree aride o desertiche.

Potenzialmente, il concetto potrebbe anche potenziare i “classici” impianti fotovoltaici spaziali, aumentando a basso costo l’energia totale che ricevono prima di trasmetterla sulla Terra.

Nel 2018, la Cina ha annunciato l’intenzione di utilizzare un tale sistema di specchi per sostituire i lampioni notturni entro il 2022. Anche se ciò non è stato fatto, potrebbe essere un modo creativo di utilizzare il “solare” spaziale per ridurre il nostro consumo di energia durante la notte, quando le energie rinnovabili sono sottoprodotte.

Fabbriche spaziali

Come spiegato in precedenza, uno dei costi principali dell’energia solare spaziale è la questione di dover inviare in orbita centinaia o migliaia di tonnellate di materiale. Una soluzione a questo problema sarebbe quella di produrre direttamente i pannelli solari (o specchi) nello spazio, utilizzando le risorse già presenti sul posto.

Questo metodo eliminerebbe completamente dall’equazione il costo di portare in orbita la centrale solare. Invece, lo sostituirebbe con il costo di inviare solo l’attrezzatura necessaria per creare una fabbrica di pannelli solari (o specchi) spaziale.

Un modo per farlo sarebbe catturare gli asteroidi con le giuste risorse, estrarli e mettere direttamente in orbita la centrale elettrica.

Concettualmente valido, questo è tuttavia ancora molto speculativo, poiché non è mai stata raggiunta alcuna forma di estrazione di asteroidi.

Base lunare

Anche se gli impianti solari venissero prodotti nello spazio, rimarrebbe il problema di bilanciare gli impatti del vento solare derivanti dai detriti spaziali e dal riciclaggio.

Un’alternativa sarebbe invece quella di installare le stazioni solari sulla Luna. L’energia verrebbe raccolta da enormi parchi solari costruiti sulla Luna e poi irradiata direttamente o indirettamente sulla Terra. I raggi di microonde provenienti dalla Luna possono anche essere reindirizzati dagli specchi, poiché i metalli riflettono le microonde.

Fonte: Arizona State University

Rispetto ai satelliti solari LEO e GEO, questo presenta alcuni vantaggi:

• Gravità: con una gravità pari a 1/6 di quella terrestre, la Luna potrebbe essere molto più adatta ad adattare il processo produttivo terrestre allo spazio rispetto ad ambienti completamente privi di peso.
• Perfetto per il solare: senza atmosfera, la superficie della Luna non è mai esposta a vento, nuvole, nebbia, ghiaccio, tempeste di polvere, grandine, ecc. Pertanto la produzione di energia sarà altamente affidabile e prevedibile.
• Manutenzione umana: i sistemi orbitali dovrebbero fare affidamento interamente sui robot per l’assemblaggio, la manutenzione e il riciclaggio. Invece, i prossimi piani per basi lunari da parte degli Stati Uniti e di Cina e Russia fornirebbero la manodopera locale per quando i robot non saranno sufficienti.
• Risorse: La Luna è un corpo celeste massiccio, che probabilmente contiene molte risorse. Ciò lo rende un candidato migliore per una fabbrica spaziale rispetto all’idea non dimostrata dell’estrazione mineraria dagli asteroidi.

Silicio, alluminio e ferro possono essere estratti chimicamente dal suolo lunare per la fabbricazione di celle solari. Gli oligoelementi possono essere portati dalla Terra per drogare le celle solari.

Si stima che un chilogrammo di materiale trasportato dalla Terra alla Luna fornirebbe alla Terra una quantità di energia elettrica 200 volte superiore a quella fornita da un chilogrammo di un satellite alimentato a energia solare.

David R. Criswell

Tuttavia, l’idea presenta alcune limitazioni.

In particolare, la Luna ha un ciclo giorno/notte di 28 giorni, costringendo tale concetto a fare affidamento su una successione di centrali elettriche sparse sull’intera superficie della Luna (o specchi orbitali) per produrre una produzione continua.

Centrali elio 3, fusione e energia lunare

Un’altra discussione sull’energia futura che coinvolge la Luna è il suo deposito di Elio-3. L'elemento molto raro sulla Terra potrebbe teoricamente alimentare una forma ultraefficiente di fusione nucleare.

In teoria, ciò potrebbe rendere l’esplorazione spaziale e l’estrazione mineraria una caratteristica chiave del nostro futuro approvvigionamento energetico. In pratica, la fusione è ancora in una fase sperimentale.

Fonti simili di rari isotopi di idrogeno, elio e altri elementi, ad esempio nel gigante gassoso di Giove e Saturno, potrebbero svolgere un ruolo simile a lungo termine.

La Luna potrebbe anche essere immaginata come il sito di un sistema energetico potenzialmente pericoloso ma altamente produttivo (in particolare nucleare), eliminando le conseguenze di un guasto catastrofico sulla Terra. Tuttavia, la perdita di energia nel teletrasmettere una tale fonte di energia, così come i costi di costruzione nello spazio, potrebbero renderla non redditizia.

Aziende spaziali solari

1. Spazio solare

Space Solar è una società britannica che cerca di sviluppare un satellite solare spaziale da 2 GW, CASSIOPeiA. Questa sarebbe di gran lunga una delle strutture più grandi mai costruite dall’umanità, rendendo minuscoli alcuni dei grattacieli più alti al confronto.

Fonte: Spazio solare

CASSIOPeiA conterrebbe 60,000 pannelli solari, peserebbe 2,000 tonnellate e orbiterebbe ad altitudine geosincrona.

La trasmissione di potenza verrebbe effettuata utilizzando un array di fase variabile per puntare il raggio di energia. La stazione terrestre dovrebbe avere un diametro di 5 km. La tecnologia del power beaming è stata finora dimostrata sulla Terra, con 30kW di potenza. Ciò è stato ottenuto grazie a HARRIER, il primo 360° trasmissione di potenza wireless che non richiede parti in movimento, un fattore chiave per un'elevata affidabilità.

Il concetto del satellite energetico si baserebbe su 2 riflettori solari che rimandano la luce solare nel segmento centrale del collettore.

Fonte: Spazio solare

Si prevede che il programma costerà 17 miliardi di sterline per la prima versione, con un costo di 3.6 miliardi di sterline per le iterazioni successive. Ciò porterebbe a 1/4 del costo di una centrale nucleare equivalente di capacità di 2 GW, un confronto equo, considerando il profilo di carico di base della centrale.

2. Rifletti orbitale

Come accennato in precedenza, Reflect Orbital non sta cercando di generare energia in orbita. La sua attività mira invece a “vendere la luce solare dopo il tramonto” alle aziende solari con sede a terra.

Con i prezzi di punta spesso subito dopo il tramonto, quando le persone sono tornate a casa ma le energie rinnovabili sono offline, questa può essere una buona strategia. Inoltre, il raggio solare del satellite può essere facilmente reindirizzato verso luoghi diversi, consentendo l’arbitraggio tra prezzi diversi tra paesi o condizioni meteorologiche avverse in un’area.

Ciò la rende un’azienda interessante da seguire nel caso in cui, in effetti, la conversione della luce solare in elettricità, poi in microonde e poi di nuovo in elettricità sia un processo troppo inefficiente per competere con l’energia solare terrestre.

Per ora, l’azienda sta sviluppando i suoi satelliti e raccogliendo fondi. Per aiutare a spiegare meglio il concetto, hanno anche realizzato una demo utilizzando una mongolfiera alta 3 km che è diventata virale.

Fonte: Rifletti orbitale

L'azienda sta cercando di testare un prototipo entro il 2025. Il satellite peserebbe solo 35 libbre (16 chilogrammi) ciascuno e sarebbe dotato di specchi in mylar di 33 piedi per 33 piedi (9.9 per 9.9 metri), che si aprirebbero una volta in orbita.

I piani Reflect Orbital potrebbero essere meno high-tech di una rete satellitare solare orbitale o basata sulla Luna. Ma forse questo potrebbe essere un punto di forza, poiché in sostanza utilizza in modo creativo solo tecnologie del tutto conosciute, già padroneggiate da decenni. Ciò potrebbe in qualche modo ridurre i rischi del progetto.