Energía solar desde el espacio, por cortesía del Sol Naciente

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Hace poco describí cómo el supervillano de Muere Otro Día construye un gigantesco espejo orbital para (spoilers). Uno de los aspectos que comenté fue el energético. ¿Cuánta energía podría captar su satélite?

Es fácil calcularlo. Suponiendo un espejo circular de 100 metros de radio, eso nos daría una superficie de captación de 31.400 metros cuadrados. Una intensidad radiante de unos 1.400 vatios por metro cuadrado arroja la cifra de 44 megavatios. Se trata de una potencia más que respetable, aunque dije que la consideraba insuficiente para explicar algunas escenas de la película.

Pero supongamos que el supevillano se hubiese vuelto megalómano y hubiese preparado diez satélites con espejos circulares de un kilómetro de radio. Ahora la potencia aumenta tres órdenes de magnitud, a 44 gigavatios. ¿Eso es mucho? Sí, lo es. Según los datos de SmartVIu (una aplicación disponible en Android e iTunes que os recomiendo), en el momento de escribir estas líneas la potencia consumida en toda España roza los 29 gigavatios.

¡Toma ya! Entonces, ¿por qué no estamos llenando la órbita terrestre de estaciones fotovoltaicas? Fuera dependencia de combustibles fósiles, fuera efecto invernadero, fuera vertidos de petróleo. Es una idea de ciencia-ficción pero que lleva ya medio siglo considerándose en serio. Si estáis interesados en ampliar información, os recomiendo este post de Daniel Marín para un buen resumen sobre el tema, con especial atención a los proyectos rusos.

Por supuesto, no es tan fácil como parece. Los grandes proyectos nunca lo son, pero los beneficios serían enormes, y seamos honestos, la idea mola un quintal. ¿No valdrá la pena pensárselo al menos? Eso es lo que acaban de hacer los chicos de la JAXA, la agencia espacial japonesa, en un reciente artículo del IEEE Spectrum. Me basaré en dicho artículo para describiros lo que estos frikazos tienen en mente.

Para empezar, no es raro que Japón país tenga tantas ganas de investigar nuevas fuentes de energía. Carecen prácticamente de recursos energéticos propios, tienen poco espacio para jugar con paneles fovoltaicos, y después de Fukushima estarán encantados de buscar alternativas menos vulnerables. La energía solar en órbita les podría proporcionar una fuente de energía segura y no sujeta a la acción de desastres, sean naturales o, ejem, de otra índole.

Veamos el esquema de lo que la JAXA llama SSPS (Sistemas de Energía Solar en el Espacio). El primer paso es construir una estación fotovoltaica en órbita geoestacionaria que captará la radiación solar. Hablamos de una estructura enorme: para una potencia de un gigavatio, se estima que tendrá una masa superior a las diez mil toneladas. En cuanto al tamaño, en teoría bastaría con un cuadrado de 850 metros de lado. Eso sobre el papel. En la práctica, el tamaño tendrá que ser mayor: habrá pérdidas de energía durante la captación y la transmisión, y los paneles solares distan mucho de tener una eficiencia del 100%. Dejémoslo en un par de kilómetros.

Será un bicho enorme. Las tareas de lanzamiento y ensamblaje en órbita geoestacionaria están más allá de las posibilidades actuales, pero se trata de problemas de escala que en principio no son irresolubles. Compare el lector el avión de los hermanos Wright con un A-380. Hay que dejarse llevar por el optimismo. Por favor.

Siguiente problema: estabilizar la estación colectora. Los satélites suelen depender de sistemas de estabilización basados en pequeños cohetes propulsores, o bien giróscopos. ¿Pero cómo estabilizamos una cosa tan grande? Para ello, nada mejor que pedirle ayuda a la Tierra. La técnica a usar se llama estabilización por gradiente de gravedad, y es tan chula que vamos a parar un momento para estudiarla.

Supongamos que tenemos dos objetos en órbitas distintas, unidos entre sí por un cable, como en la siguiente figura:

Gravitational_Gradient

Fuente: Wikipedia

El cuerpo 2, en una órbita más baja, tiende a viajar a mayor velocidad que el cuerpo 1. Pero el cable los mantiene unidos entre sí, de modo que el conjunto debe viajar al unísono. El efecto del cable es reducir la velocidad el cuerpo 2 y aumentar la del cuerpo 1. Como resultado, los dos cuerpos y el cable se alinearán en una dirección que pase por el centro del planeta.

Ahora supongamos que el cuerpo 2 es nuestro enorme panel solar, esencialmente plano, y el cuerpo 1 es un contrapeso. Esta técnica hará que el panel guarde siempre la misma orientación con relación a la superficie, sin necesidad de propulsores ni complicaciones adicionales. Sencillo y elegante.

Por desgracia, se nos plantea un problema. La orientación del satélite será fija con relación a la superficie, pero variable con relación al Sol, y eso afectará a la generación de energía. En los momentos en los que el satélite presente una cara perpendicularmente a la dirección del Sol, tenemos máxima potencia, pero sólo entonces.

¿Soluciones? Dos. Una es encogerse de hombros y aceptar la pérdida de potencia, lo que resulta poco elegante. La otra, según la JAXA, es usar dos enormes espejos que concentren la luz solar en los colectores fotovoltaicos. Así se consigue una eficiencia máxima, y además resulta beneficioso de cara a la construcción, ya que la superficie captadora de energía no será un complejo sistema de paneles fotovoltaicos sino unos sencillos espejos concentradores de luz.

Por supuesto, una de cal y otra de arena. ¿Cómo orientamos los espejos? La técnica de estabilización por gradiente de gravedad no sirve aquí. Peor aún, los espejos tenderán a cambiar de dirección debido al gradiente de gravedad derivado de su propio y enorme tamaño, por no hablar de a la presión de la radiación solar. Los japoneses van a tener que currarse muchoesta parte.

Captada la energía, tenemos que enviarla a la Tierra. ¿Cómo? Se podría convertir en un haz láser y dirigirlo hacia la superficie. Claro que, puestos a ello, resulta más sencillo limitarse a poner un espejo en órbita y reflejar la luz hacia un conjunto de paneles solares ubicados en la superficie, ¿verdad?. El problema en cualquiera de los dos casos es que el viaje a través de la atmósfera producirá pérdidas debido a la absorción. Tenemos aerosoles en suspensión, moléculas de aire, y a ver qué hacemos cuando la estación receptora en tierra esté cubierta de nubes.

Por fortuna, hay una alternativa mejor. La energía generada en el espacio puede transmitirse en forma de haces de microondas, y en tierra puede volver a convertirse en corriente continua. El proceso tiene sus pérdidas. Convertir la energía captada en microondas y pasarlas a corriente continua al llegar a la superficie provoca pérdidas del orden del 50%, algo lamentable pero asumible.

No hemos terminado con los problemas. El haz de microondas se genera por medio de un gran número de pequeñas antenas. Si todas se lanzan a emitir a su aire, la interferencia entre ellas puede reducir mucho la potencia. Hay que sincronizarlas para que emitan en fase, y eso no será fácil. También tendremos que dirigir el haz de microondas apuntándolo con precisión a la estación receptora terrestre.

A pesar de todas las complicaciones que se vislumbran en el horizonte, Japón está dispuesto a seguir adelante. Son conscientes de las dificultades, pero su intención es la de seguir adelante y no parar a menos que se encuentren un obstáculo insuperable. Para finales de este año planean un experimento en tierra con el objeto de probar la viabilidad de crear y transmitir un haz de microondas de cientos de vatios. La potencia transmitida será pequeña, menos de dos kilovatios, pero lo importante es comprobar que el concepto funciona.

Si todo sale bien intentarán enviar varios kilovatios de potencia desde una órbita terrestre baja hasta la superficie para el 2018. Luego la cosa se pondrá emocionante: una demostración de un SPSS operativo en el espacio con 100 kilovatios de potencia transmitida para 2020; luego uno de dos megavatios, uno de doscientos… finalmente, una estación de un gigavatio de potencia para 2030. ¿A qué mola?

Al margen de que el concepto de estación solar acabe siendo una realidad, incluso intentarlo nos dará la oportunidad de generar y desarrollar tecnologías que se pueden aplicar en otros campos. La experiencia en construir grandes estructuras en el espacio servirá para cualquier cosa que queramos montar allí, sea una nueva ISS o un hotel para oligarcas ucranianos. Habrá que desarrollar nuevos sistemas de lanzamiento, algo que necesitamos como el comer si queremos explorar el espacio a lo grande.

Aquí va un concepto que me parece especialmente interesante. Podemos construir grandes colectores fotovoltaicos en lugares de la Tierra con altos índices de insolación, como el desierto del Sáhara. El problema siempre ha sido transmitir toda esa potencia hacia donde se vaya a utilizar. ¿Por qué no hacerlo mediante enlaces de microondas? ¡Fuera torres de alta tensión y engorrosos cables de cobre! Ahora usamos las microondas para enviar información y comunicarnos inalámbricamente; de aquí a cincuenta años, será igual de habitual usarlas también para transmitir potencia de un lugar a otro.

De verdad, cómo molan los japoneses.


5 Comentarios

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africanoafricano

y si un avión atraviesa el haz de microondas ¿ no tendríamos un magnífico asado ? 😉
Interesante artículo.

ToniToni

Un artículo muy interesante, aunque me surge una pregunta:

¿Se pueden “focalizar” los microondas? ¿No se dispersan en el espacio como el sonido o la luz? ¿O en cambio se pueden convertir a algo así como un láser de microondas?

Saludos.

El Niño del DedoEl Niño del Dedo

Al mayor inconveniente, que es el enviar una estructura extremadamente pesada, hace años que existe una solución:

http://www.consumer.es/web/es/medio_.../192543.php

Fíjate que este artículo es de 2010, hace muchísimo tiempo. Debe de haber evolucionado bastante. Paneles solares de plástico. Las 10000 toneladas que apuntas me parecen exageradas.

Jose LuisJose Luis

lo de trasmitir energía por ondas no es algo que ya postulo el incomparable Tesla?

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