La energía solar es la forma de energía renovable de más rápido crecimiento y actualmente representa el 3,6% de la generación mundial de electricidad. Esto la convierte en la tercera fuente más importante del mercado de las renovables, seguida de la energía hidroeléctrica y la eólica.
Se espera que estos tres métodos crezcan exponencialmente en las próximas décadas, hasta alcanzar el 40% en 2035 y el 45% en 2050. En total, se espera que las energías renovables representen el 90% del mercado energético a mediados de siglo, y la solar aproximadamente la mitad.
Sin embargo, para que se produzca esta transición hay que superar varios retos y problemas técnicos.
El principal factor limitante de la energía solar es su intermitencia, es decir, que sólo puede generar energía cuando hay suficiente luz solar disponible. Para solucionar este problema, los científicos llevan décadas investigando la energía solar obtenida desde el espacio («space-based solar power», SBSP), en la que satélites en órbita recogerían energía 24 horas al día, 365 días al año, sin interrupción.
Para desarrollar esta tecnología, los investigadores del Space Solar Power Project (SSPP) de Caltech acaban de completar con éxito la primera transferencia inalámbrica de energía mediante el instrumento Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE).
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MAPLE fue desarrollado por un equipo de Caltech dirigido por Ali Hajimiri, Catedrático Bren de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Médica y codirector del SSPP. MAPLE es una de las tres tecnologías clave probadas por el Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).
Esta plataforma consiste en un conjunto de transmisores de microondas flexibles y ligeros controlados por chips electrónicos personalizados. El demostrador se construyó utilizando tecnologías de silicio de bajo coste diseñadas para captar energía solar y transmitirla a estaciones receptoras de todo el mundo.
El proyecto SSPP comenzó en 2011, cuando Donald Bren, miembro vitalicio del Consejo de Administración de Caltech, se puso en contacto con el entonces presidente de Caltech, Jean-Lou Chameau, para hablar de la creación de un proyecto de investigación SBSP.
Bren y su esposa (también fideicomisaria de Caltech) acordaron donar un total de 100 millones de dólares para financiar el proyecto, mientras que Northrop Grumman Corporation aportó otros 12,5 millones. La nave SSPD-1 se lanzó el 3 de enero a bordo de un Falcon 9 de SpaceX como parte de un programa de viajes compartidos y fue desplegada por una nave espacial Vigoride (proporcionada por la empresa aeroespacial Momentus).
Para que el SBSP sea viable, los satélites deben ser ligeros para que puedan lanzarse de forma rentable y flexibles de modo que quepan dentro de carenados de carga útil (similares al telescopio espacial James Webb (JWST)).
Harry Atwater, titular de la Cátedra Otis Booth de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, catedrático Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales y director de la Liquid Sunlight Alliance, es uno de los investigadores principales del proyecto. Como explicó en un comunicado de prensa de Caltech.
«La demostración de la transferencia inalámbrica de energía en el espacio utilizando estructuras ligeras es un paso importante hacia la energía solar espacial y un amplio acceso a ella en todo el mundo. Los paneles solares ya se utilizan en el espacio para alimentar la Estación Espacial Internacional, por ejemplo, pero para lanzar y desplegar matrices lo suficientemente grandes como para suministrar energía a la Tierra, el SSPP tiene que diseñar y crear sistemas de transferencia de energía solar que sean ultraligeros, baratos y flexibles».
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Cada unidad de SSPP pesa unos 50 kilogramos, comparable a los microsatélites que suelen pesar entre 10 y 100 kilogramos. Cada unidad se pliega en paquetes de aproximadamente 1 m3 (35 pies3) de volumen y luego se despliega en un cuadrado plano de unos 50 m (164 pies) de diámetro, con células solares en un lado y transmisores inalámbricos de energía en el otro.
Los componentes del SPPD-1 no están sellados, lo que significa que están expuestos a las variaciones extremas de temperatura del espacio. Además de demostrar que los transmisores de energía pueden sobrevivir al lanzamiento al espacio, el experimento ha proporcionado información útil a los ingenieros del SSPP.
«Gracias a los experimentos que hemos realizado hasta ahora, hemos recibido la confirmación de que MAPLE puede transmitir energía con éxito a receptores en el espacio», afirma Hajimiri.
«También hemos podido programar el conjunto para que dirija su energía hacia la Tierra, lo que hemos detectado aquí en Caltech. Por supuesto, lo habíamos probado en la Tierra, pero ahora sabemos que puede sobrevivir al viaje al espacio y funcionar allí.»
El demostrador no tiene piezas móviles y se basa en la interferencia constructiva y destructiva entre antenas de transmisión para cambiar el foco y la dirección de la energía emitida. Estas antenas están agrupadas de 16 en 16, cada una de ellas controlada por un chip de circuito integrado flexible hecho a medida.
También se basan en elementos precisos de control de tiempo y en la adición coherente de ondas electromagnéticas para garantizar que la energía emitida llegue al objetivo previsto. A unos 30 cm de las antenas de transmisión hay dos conjuntos receptores que convierten la energía solar en corriente continua (CC).
Ésta se utiliza para alimentar un par de luces LED, lo que demuestra la secuencia completa de transmisión inalámbrica de energía. MAPLE lo demostró encendiendo cada LED por separado y cambiando de uno a otro.
Figura 1. Interior del experimento espacial MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment), que emite energía recogida a través del espacio vacío mediante un conjunto de transmisores (derecha) a dos receptores (derecha) para iluminar un LED. (Caltech).
Además, MAPLE incluye una pequeña ventana a través de la cual el conjunto puede emitir energía, que fue detectada por un receptor del Laboratorio de Ingeniería Gordon y Betty Moore de Caltech. Esta señal se recibió en el momento y la frecuencia esperados y tenía el desplazamiento de frecuencia previsto en función de su órbita.
«Que nosotros sepamos, nadie ha demostrado nunca la transferencia inalámbrica de energía en el espacio, ni siquiera con costosas estructuras rígidas», afirma Hajimiri. «Nosotros lo estamos haciendo con estructuras ligeras flexibles y con nuestros propios circuitos integrados. Es una primicia».
El equipo está evaluando ahora el rendimiento de los distintos elementos del sistema probando los patrones de interferencia de grupos más pequeños y midiendo la diferencia entre combinaciones. Este proceso podría durar hasta seis meses, lo que daría al equipo tiempo suficiente para detectar irregularidades y desarrollar soluciones que sirvan de base a la próxima generación de satélites solares.
Además de MAPLE, el SSPD-1 lleva otros dos experimentos principales. Se trata del Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment (DOLCE), una estructura de 1,8 x 1,8 metros (6 x 6 pies) diseñada para desplegar pequeñas naves espaciales modulares, y ALBA, una serie de 32 tipos diferentes de células fotovoltaicas para probar cuáles son las más eficaces en el espacio.
Los ensayos de ALBA están en curso, mientras que DOLCE aún no se ha desplegado, y los resultados de estos experimentos se esperan para los próximos meses. Mientras tanto, los resultados del experimento MAPLE son muy alentadores y demuestran que las tecnologías SBSP clave son viables.
Hajimiri dijo: «Del mismo modo que Internet democratizó el acceso a la información, esperamos que la transferencia inalámbrica de energía democratice el acceso a la energía. No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía sobre el terreno para recibirla. Eso significa que podremos enviar energía a regiones remotas y zonas devastadas por guerras o catástrofes naturales».
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Energía solar del espacio: potencial para producir ocho veces más
La SBSP tiene el potencial de producir ocho veces más energía que los paneles solares situados en la superficie de la Tierra. Cuando el proyecto esté totalmente realizado, Caltech espera desplegar una constelación de naves espaciales modulares que recojan energía solar, la transformen en electricidad y la conviertan en microondas que puedan transmitirse de forma inalámbrica a cualquier parte del mundo.
Además de contribuir a la transición hacia una energía limpia y renovable, también tiene el potencial de ampliar su acceso a las comunidades desatendidas. Dijo el Presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum:
«La transición a las energías renovables, fundamental para el futuro del mundo, se ve limitada hoy por los problemas de almacenamiento y transmisión de energía. Transmitir energía solar desde el espacio es una solución elegante que ha dado un paso más hacia su realización gracias a la generosidad y previsión de los Bren. Donald Bren ha planteado un reto técnico formidable que promete una notable recompensa para la humanidad: un mundo alimentado por energía renovable ininterrumpida».
Noticia tomada de: Science Alert / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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