A aparição de Isaac Azimov no programa de David Letterman em 1980 aparece em um novo documentário que explora a promessa da energia solar baseada no espaço. O pioneiro da ficção científica literária disse ao apresentador do Late Night que havia escrito sobre estações espaciais transmitindo energia de volta à Terra em 1940. Os princípios científicos para fazer isso são sólidos. O atraso na realização é atribuível ao custo de lançamento de cargas úteis em órbita e ao preço da energia para torná-lo prático.
Como a pv magazine relatou em 2023, a energia realmente foi transmitida de volta de um satélite em órbita baixa da Terra (LEO) em forma de micro-ondas. Esta implantação de teste mostrou que as estruturas espaciais com geração fotovoltaica poderiam de fato ser lançadas economicamente no espaço, implantadas com sucesso e transmitir energia solar com segurança de volta à Terra, embora apenas o suficiente para fazer alguns detectores em um receptor de telhado pularem e os pesquisadores da Caltech pularem de alegria.
Esse momento também é apresentado em Bright Harvest: Powering Earth from Space, um filme dirigido por Steven Reich que está programado para uma exibição especial no Caltech em 27 de outubro. Acontece que a universidade foi um ponto focal para três professores em diferentes disciplinas de ciência e engenharia que tornaram o conceito de transferência de energia solar do espaço comprovadamente possível. Ainda não se sabe se é prático, mas o filme é persuasivamente positivo.
Harry Atwater, professor de física aplicada e ciência dos materiais na Caltech, disse à pv magazine USA que seu trabalho inicial em materiais fotovoltaicos de filme fino produziu eficiências de células de junção única que se mantêm até hoje. A combinação de células de alta eficiência e substratos flexíveis torna esses módulos adequados para implantação no espaço. Empreendedor em série, Atwater cofundou a Alta Devices, que quebrou recordes por alcançar eficiências celulares de cerca de 30%, e a Caelux, que está desenvolvendo e fabricando células fotovoltaicas de perovskita sobre silício.
“Desenvolvemos células de arseneto de gálio de alta eficiência por um processo de crescimento epitaxial e essas células foram capazes de chegar a uma potência específica, a figura de mérito que provavelmente é mais importante para a energia fotovoltaica espacial”, disse Atwater. “Sua potência por unidade de peso – não apenas potência absoluta por unidade de área – é importante porque você acaba tendo que lançar massa e volume em órbita.”
Imagem: Deer Creek Nature
Conforme contado em Bright Harvest, Atwater e seus colegas da Caltech, Sergio Pellegrino, professor de engenharia civil, e Ali Hajimiri, professor de engenharia elétrica, combinaram seus talentos e pesquisas no que se tornou o Projeto de Energia Solar Espacial da universidade. A Pellegrino é especializada no desenvolvimento de estruturas espaciais leves com foco em embalagem, implantação e estabilidade em órbita. Hajimiri se concentra no desenvolvimento de métodos para transferência de energia sem fio de longa distância.
Com associados e alunos, os diretores do Projeto de Energia Solar Baseada no Espaço projetaram espaçonaves experimentais para testar várias configurações de módulos fotovoltaicos, juntamente com um meio de transmissão de energia na forma de microondas de baixa intensidade. As principais áreas de pesquisa: células fotovoltaicas leves que podem sobreviver no espaço; estruturas espaciais que podem ser implantadas a partir de foguetes existentes; e os componentes eletrônicos subjacentes para coletar e transmitir energia de volta à Terra combinados na espaçonave lançada de um foguete SpaceX Falcon 9 em janeiro de 2023. O satélite transmitiu com sucesso energia do LEO em junho seguinte.
Em vez de lançar poderosos transmissores de micro-ondas, que têm restrições de peso e segurança, a equipe integrou vários feixes de micro-ondas de baixa potência que podem ser direcionados para se concentrar em um alvo equipado com um conjunto de antenas receptoras para conversão em eletricidade. A densidade de energia da potência transmitida é descrita como semelhante à luz solar, portanto, não produz efeitos nocivos no solo.
“A densidade de potência seria de cerca de 100 miliwatts por centímetro quadrado”, disse Atwater. “Para comparação, se eu colocar meu telefone ao lado do ouvido, a densidade de potência é de cerca de 30 miliwatts por centímetro quadrado, então é cerca de duas ou três vezes maior do que a da antena do seu smartphone.”
A energia de microondas é gerada diretamente de células solares em um chip. As combinações de células-chip podem ser montadas em substratos flexíveis que podem ser enrolados e embalados para lançamento. A direção do feixe é uma tecnologia estabelecida para muitas aplicações eletrônicas, incluindo radar e comunicações.
Imagem: Deer Creek Nature
Se todas as tecnologias individuais descritas no Bright Harvest forem conhecidas e comprovadas, a principal conquista do projeto Caltech é integrá-las para o lançamento. O lançamento de 2023 incluiu uma série de 32 células diferentes para testar suas características individuais de capacidade de geração e resistência no ambiente hostil do espaço. Um experimento com transmissor de microondas demonstrou que os feixes podem ser direcionados para um receptor na Caltech. Finalmente, o esforço implantou uma estrutura espacial que se desdobrou em uma estrutura de 6 ‘por 6’ que, na prática, suportaria módulos solares flexíveis.
De acordo com Atwater, uma estação espacial de energia solar em funcionamento teria uma área de cerca de um quilômetro quadrado quando implantada. Tal estrutura seria lançável como uma única unidade de uma nave estelar da SpaceX, quando esse veículo se tornar comercialmente disponível. Constelações de satélites menores podem ser lançadas de foguetes atualmente em serviço.
No lado da estação terrestre, Atwater disse que sua equipe está de olho nos painéis fotovoltaicos existentes em escala de utilidade como locais perfeitos. Os receptores de micro-ondas são opticamente transparentes e podem, de fato, ser sobrepostos em cima de módulos solares montados no solo. O PV não desempenharia nenhum papel na conversão de energia, mas um projeto de hospedagem já possui interconexões adequadas de terra limpa e rede.
“Nossa visão é que a estação de energia solar existente produza energia durante o dia, enquanto a estação de energia solar espacial usa a mesma infraestrutura para produzir energia 24 horas por dia”, disse ele.
A produtora de Bright Harvest, Brigitte Bren, disse à pv magazine USA que o filme reúne três paixões dela: energia limpa, gestão ambiental e inovação ousada.
“Os cientistas da Caltech estão transformando a luz solar no espaço em energia na Terra, o que parece visionário e prático”, disse Bren. “Eu queria ajudar a compartilhar essa história de esperança, engenhosidade e possibilidade para o futuro do nosso planeta.”
Bren, que é cofundador da International Strategic Planning, Inc., uma empresa de consultoria de negócios, disse que os esforços do Projeto de Energia Solar Espacial da Caltech estão recebendo um vento favorável da queda dramática nos custos de lançamento comercial nos últimos anos, acrescentando que os avanços da SpaceX, Blue Origin e outros estão mudando o que é possível.
“À medida que os custos de lançamento caem e a capacidade aumenta, a construção de usinas de energia solar em órbita passa do sonho à realidade”, disse ela. “Seu progresso torna a energia solar espacial não apenas inspiradora, mas cada vez mais ao alcance.” O Projeto de Energia Solar Espacial da Caltech é um dos vários esforços que visam transmitir energia para a Terra a partir da órbita. A Aetherflux, com sede na Califórnia, está desenvolvendo uma abordagem que usa muitos satélites em órbitas mais baixas que transmitem energia por laser infravermelho para pequenas estações terrestres. A empresa tem um contrato com o Departamento de Defesa dos EUA para implantar um protótipo e espera lançar sua primeira espaçonave no próximo ano com a SpaceX. A Space Solar, com sede no Reino Unido, está trabalhando com o British Antarctic Survey e outros em um conceito de satélites solares em LEO para fornecer energia a locais remotos onde a eletricidade é cara ou inexistente.
De sua parte, Atwater diz que a equipe da Caltech está procurando parceiros para comercializar seu conceito. Em primeiro lugar, o Projeto de Energia Solar Baseada no Espaço é um esforço de pesquisa e desenvolvimento. A comercialização exigirá fabricação e integração de sistemas que somente a indústria pode fornecer. No entanto, a pesquisa e desenvolvimento continua: Atwater diz que a equipe está entregando um novo conjunto experimental de células de teste para a SpaceX em novembro para um lançamento planejado para a Estação Espacial Internacional, provavelmente no próximo ano.
Toda a tecnologia e esforço permanecerão experimentais enquanto o custo nivelado da energia (LCOE) para a energia solar baseada no espaço exceder o das fontes terrestres. A energia solar em geral tornou-se competitiva com outras fontes, mesmo com as desvantagens da intermitência. Embora as usinas de energia solar em órbitas apropriadas operem essencialmente sem obstruções, o custo ainda é um fator.
Atwater está convencido de que a equipe da Caltech pode transformar o experimental em realidade: “Vou ser um pouco audacioso e afirmar que a ampliação da tecnologia que temos atualmente poderia produzir um LCOE de US $ 0,09 por kWh. No futuro, seremos capazes de fornecer US$ 0,03 por kWh. A energia solar baseada no espaço será competitiva com a energia fotovoltaica em escala de utilidade.
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