Energía solar basada en el espacio

La energía solar basada en el espacio (SBSP) es el concepto de la recolección de energía solar en el espacio exterior y su distribución a la Tierra. Las ventajas potenciales de la recolección de energía solar en el espacio incluyen una mayor tasa de recolección y un período de recolección más largo debido a la falta de una atmósfera difusora, y la posibilidad de colocar un colector solar en un lugar en órbita donde no hay noche. Una fracción considerable de la energía solar entrante (55-60%) se pierde en su camino a través de la atmósfera de la Tierra por los efectos de la reflexión y la absorción. Los sistemas de energía solar basados ​​en el espacio convierten la luz solar en microondas fuera de la atmósfera, evitando estas pérdidas y el tiempo de inactividad debido a la rotación de la Tierra, pero a un gran costo debido al gasto de lanzamiento de material en órbita. SBSP se considera una forma de energía sostenible o verde, energía renovable, y ocasionalmente se considera entre las propuestas de ingeniería climática. Es atractivo para quienes buscan soluciones a gran escala para el cambio climático antropogénico o el agotamiento de combustibles fósiles (como el pico de petróleo).

Se han investigado varias propuestas de SBSP desde principios de la década de 1970, pero ninguna es económicamente viable con la infraestructura de lanzamiento espacial actual. Un modesto sistema de microondas de rango Gigawatt, comparable a una gran planta de energía comercial, requeriría el lanzamiento de unas 80,000 toneladas de material en órbita, haciendo que el costo de la energía de tal sistema sea mucho más caro que incluso la energía renovable actual. Algunos tecnólogos especulan que esto podría cambiar en un futuro lejano si se desarrollara una base industrial fuera del mundo que pudiera fabricar satélites de energía solar a partir de asteroides o material lunar, o si las nuevas tecnologías radicales de lanzamiento espacial distintas de la cohetería deberían estar disponibles en el futuro. futuro.

Además del costo de implementar dicho sistema, SBSP también presenta varios obstáculos tecnológicos, incluido el problema de la transmisión de energía desde la órbita a la superficie de la Tierra para su uso. Dado que los cables que se extienden desde la superficie de la Tierra a un satélite en órbita no son prácticos ni viables con la tecnología actual, los diseños SBSP generalmente incluyen el uso de algún tipo de transmisión inalámbrica de energía con sus consiguientes ineficiencias de conversión, así como preocupaciones sobre el uso recibe la energía en la superficie de la Tierra. El satélite colector convertiría energía solar en energía eléctrica a bordo, alimentando un transmisor de microondas o un emisor láser, y transmitiría esta energía a un colector (o rectenna de microondas) en la superficie de la Tierra. Contrariamente a las apariencias de SBSP en las novelas populares y los videojuegos, la mayoría de los diseños proponen densidades de energía del haz que no son dañinas si los seres humanos fueran expuestos inadvertidamente, como si el haz de un satélite transmisor fuera a desviarse. Pero el vasto tamaño de las antenas receptoras que sería necesario aún requeriría grandes bloques de tierra cerca de los usuarios finales para ser adquiridos y dedicados a este fin. La vida útil de los recolectores basados ​​en el espacio frente a los desafíos de la exposición a largo plazo al entorno espacial, incluida la degradación por radiación y el daño de los micrometeoritos, también podría convertirse en una preocupación para SBSP.

SBSP está siendo activamente perseguido por Japón, China y Rusia. En 2008, Japón aprobó su Ley de Espacio Básico que estableció la Potencia Solar Espacial como un objetivo nacional y JAXA tiene una hoja de ruta para el SBSP comercial. En 2015, la Academia China de Tecnología Espacial (CAST) informó su hoja de ruta en la Conferencia Internacional de Desarrollo Espacial (ISDC) donde mostraron su hoja de ruta a un sistema comercial de 1 GW en 2050 y dio a conocer un video y una descripción de su diseño.

Desafíos

Potencial
El concepto de SBSP es atractivo porque el espacio tiene varias ventajas importantes sobre la superficie de la Tierra para la recolección de energía solar:

Siempre es mediodía solar en el espacio y pleno sol.
Las superficies colectoras podrían recibir luz solar mucho más intensa, debido a la falta de obstrucciones tales como gases atmosféricos, nubes, polvo y otros fenómenos meteorológicos. En consecuencia, la intensidad en órbita es aproximadamente el 144% de la intensidad máxima alcanzable en la superficie de la Tierra.
Un satélite podría iluminarse durante el 99% del tiempo, y estar a la sombra de la Tierra un máximo de solo 72 minutos por noche en los equinoccios de primavera y otoño en la medianoche local. Los satélites en órbita pueden estar expuestos a un alto nivel constante de radiación solar, generalmente durante 24 horas por día, mientras que los paneles solares de la superficie terrestre actualmente acumulan energía durante un promedio del 29% del día.
El poder podría redirigirse relativamente rápido directamente a las áreas que más lo necesitan. Un satélite de recopilación podría dirigir la demanda de energía a diferentes ubicaciones de superficie en función de las necesidades de potencia de carga máxima o carga base geográfica. Los contratos típicos serían para carga base, potencia continua, ya que el poder de pico es efímero.
Eliminación de la interferencia de plantas y vida silvestre.
Con implementaciones a gran escala, especialmente en altitudes más bajas, es posible que reduzca la radiación solar entrante que llega a la superficie de la tierra. Esto sería deseable para contrarrestar los efectos del calentamiento global.

Inconvenientes
El concepto de SBSP también tiene una serie de problemas:

El gran costo de lanzar un satélite al espacio
La maldición de matriz diluida que impide la transmisión eficiente de energía desde el espacio a la superficie de la Tierra
Inaccesibilidad: el mantenimiento de un panel solar basado en la tierra es relativamente simple, pero la construcción y el mantenimiento de un panel solar en el espacio normalmente se realizaría por teleobrestación. Además del costo, los astronautas que trabajan en GEO (órbita geosincrónica de la Tierra) están expuestos a riesgos de radiación inaceptablemente altos y el riesgo y el costo de alrededor de mil veces más que la misma tarea realizada telerobáticamente.
El ambiente espacial es hostil; los paneles sufren aproximadamente 8 veces la degradación que tendrían en la Tierra (excepto en órbitas que están protegidas por la magnetosfera).
Los desechos espaciales son un peligro importante para los objetos grandes en el espacio, y todas las estructuras grandes como los sistemas SBSP se han mencionado como fuentes potenciales de desechos orbitales.
La frecuencia de emisión del enlace descendente de microondas (si se utiliza) requeriría aislar los sistemas SBSP de otros satélites. El espacio GEO ya está bien utilizado y se considera poco probable que la UIT permita el lanzamiento de un SPS. [Cita irrelevante]
El gran tamaño y el costo correspondiente de la estación receptora en el suelo.
Pérdidas de energía durante varias fases de conversión de fotones a electrones a fotones a electrones.

Diseño
La energía solar basada en el espacio consiste esencialmente en tres elementos:

recolectar energía solar en el espacio con reflectores o espejos inflables sobre las células solares
transmisión de energía inalámbrica a la Tierra a través de microondas o láser
recibiendo energía en la Tierra a través de un rectenna, una antena de microondas

La porción basada en el espacio no necesitará apoyarse contra la gravedad (aparte de tensiones de marea relativamente débiles). No necesita protección contra el viento terrestre o el clima, pero tendrá que hacer frente a riesgos espaciales como micrometeoros y erupciones solares. Se han estudiado dos métodos básicos de conversión: fotovoltaica (PV) y dinámica solar (SD). La mayoría de los análisis de SBSP se han centrado en la conversión fotovoltaica utilizando células solares que convierten directamente la luz solar en electricidad. La dinámica solar utiliza espejos para concentrar la luz en una caldera. El uso de la dinámica solar podría reducir la masa por vatio. La transmisión de potencia inalámbrica se propuso desde el principio como un medio para transferir energía desde la recolección a la superficie de la Tierra, utilizando microondas o radiación láser en una variedad de frecuencias.

Transmisión de energía de microondas
William C. Brown demostró en 1964, durante el programa CBS News de Walter Cronkite, un helicóptero modelo alimentado por microondas que recibió toda la potencia que necesitaba para volar desde un haz de microondas. Entre 1969 y 1975, Bill Brown fue director técnico de un programa JPL Raytheon que emitió 30 kW de potencia en una distancia de 1 milla (1,6 km) con una eficiencia del 84%.

La transmisión de energía por microondas de decenas de kilovatios ha sido bien probada por pruebas existentes en Goldstone en California (1975) y Grand Bassin en Reunion Island (1997).

Más recientemente, se ha demostrado la transmisión de potencia de microondas, junto con la captura de energía solar, entre la cima de una montaña en Maui y la isla de Hawai (a 92 millas de distancia), por un equipo de John C. Mankins. Los desafíos tecnológicos en términos de diseño de matriz, diseño de elemento de radiación individual y eficiencia general, así como los límites teóricos asociados son actualmente un tema de investigación, como lo demuestra la Sesión Especial sobre «Análisis de Sistemas Inalámbricos Electromagnéticos para la Transmisión de Energía Solar» «que se celebrará en el Simposio IEEE 2010 sobre Antenas y Propagación. En 2013, se publicó una visión general útil que abarca las tecnologías y los problemas relacionados con la transmisión de energía por microondas desde el espacio hasta el suelo. Incluye una introducción a SPS, investigación actual y perspectivas futuras. Además, una revisión de las metodologías y tecnologías actuales para el diseño de matrices de antenas para la transmisión de potencia de microondas apareció en las Actas del IEEE

Emisión de energía láser
La emisión de energía láser fue concebida por algunos en la NASA como un trampolín para una mayor industrialización del espacio. En la década de 1980, los investigadores de la NASA trabajaron en el uso potencial del láser para la emisión de energía espacio-espacio, centrándose principalmente en el desarrollo de un láser de energía solar. En 1989, se sugirió que el poder también podría ser transmitido con láser de la Tierra al espacio. En 1991 comenzó el proyecto SELENE (SpacE Laser ENErgy), que incluyó el estudio de la potencia del 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 al estado operativo era demasiado alto, y el proyecto oficial finalizó en 1993 antes de llegar a una demostración basada en el espacio.

En 1988, Grant Logan propuso el uso de un láser basado en la Tierra para alimentar un propulsor eléctrico para propulsión espacial, con detalles técnicos elaborados en 1989. Propuso utilizar células solares de diamante que funcionan a 600 grados para convertir la luz ultravioleta del láser.

Ubicación orbital
La principal ventaja de ubicar una estación de energía espacial en una órbita geoestacionaria es que la geometría de la antena se mantiene constante, por lo que es más sencillo mantener las antenas alineadas. Otra ventaja es que la transmisión de potencia casi continua está disponible inmediatamente tan pronto como la primera estación de energía espacial se coloca en órbita; otras centrales eléctricas basadas en el espacio tienen tiempos de arranque mucho más largos antes de que produzcan energía casi continua. Se ha propuesto una colección de estaciones de energía espaciales LEO (órbita terrestre baja) como un precursor de la energía solar basada en el espacio GEO (órbita geoestacionaria).

Receptor basado en la tierra
El rectenna basado en la Tierra probablemente consistiría en muchas antenas dipolo cortas conectadas a través de diodos. Las emisiones de microondas del satélite se recibirían en los dipolos con un 85% de eficiencia. Con una antena de microondas convencional, la eficiencia de recepción es mejor, pero su costo y complejidad también son considerablemente mayores. Rectennas probablemente tendría varios kilómetros de ancho.

En aplicaciones espaciales
Un SBSP láser también podría alimentar una base o vehículos en la superficie de la Luna o Marte, ahorrando en los costos de masa para aterrizar la fuente de energía. Una nave espacial u otro satélite también podría ser alimentado por el mismo medio. En un informe de 2012 presentado a la NASA sobre Space Solar Power, el autor menciona otro posible uso de la tecnología detrás de Space Solar Power podría ser para Solar Electric Propulsion Systems que podría ser utilizado para misiones de exploración humana interplanetaria.

Costos de lanzamiento
Un problema para el concepto de SBSP es el costo de los lanzamientos espaciales y la cantidad de material que tendría que ser lanzado.

Gran parte del material lanzado no necesita ser entregado a su órbita final de inmediato, lo que plantea la posibilidad de que los motores de alta eficiencia (pero más lentos) puedan mover el material SPS de LEO a GEO a un costo aceptable. Los ejemplos incluyen propulsores iónicos o propulsión nuclear. La emisión de energía desde la órbita geoestacionaria por microondas conlleva la dificultad de que los tamaños requeridos de «apertura óptica» sean muy grandes. Por ejemplo, el estudio SPS de 1978 de la NASA requirió una antena transmisora ​​de 1 km de diámetro y una antena receptora de 10 km de diámetro para un haz de microondas a 2,45 GHz. Estos tamaños pueden reducirse de alguna manera mediante el uso de longitudes de onda más cortas, aunque tienen una mayor absorción atmosférica e incluso un bloqueo del haz potencial por gotas de lluvia o agua. Debido a la maldición de matriz adelgazada, no es posible hacer un haz más estrecho combinando los haces de varios satélites más pequeños. El gran tamaño de las antenas transmisoras y receptoras significa que el nivel mínimo de potencia práctica para un SPS será necesariamente alto; pequeños sistemas SPS serán posibles, pero antieconómicos.

Para dar una idea de la escala 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 de masa significativa de los espejos de enfoque) una central eléctrica de 4 GW pesaría alrededor de 80,000 toneladas métricas, todas las cuales, en las circunstancias actuales, serían lanzadas desde la Tierra. Los diseños muy ligeros podrían alcanzar 1 kg / kW, lo que significa 4.000 toneladas métricas para los paneles solares para la misma estación con capacidad de 4 GW. Esto equivaldría a entre 40 y 150 vehículos de lanzamiento pesado (HLLV) que se lanzarían para enviar el material a la órbita terrestre baja, donde probablemente se convertiría en paneles solares de subconjuntos, que luego podrían usar un motor de iones de alta eficiencia. cohetes para (lentamente) alcanzar GEO (órbita geoestacionaria). Con un costo de lanzamiento en serie estimado para los HLLV de $ 500 millones a $ 800 millones y costos de lanzamiento para los HLLV alternativos de $ 78 millones, los costos totales de lanzamiento oscilarían entre $ 11,000 millones (HLLV de bajo costo, paneles de bajo peso) y $ 320,000 millones (‘ costoso ‘HLLV, paneles más pesados). A estos costos se debe agregar el impacto ambiental de las misiones de lanzamiento de espacio pesado, si tales costos se van a utilizar en comparación con la producción de energía basada en la tierra. A modo de comparación, el costo directo de una nueva planta de carbón o energía nuclear oscila entre $ 3 mil millones y $ 6 mil millones por GW (sin incluir el costo total para el medioambiente de las emisiones de CO2 o el almacenamiento de combustible nuclear gastado, respectivamente); Otro ejemplo es que las misiones de Apolo a la Luna cuestan un total de $ 24 mil millones (dólares de 1970), teniendo en cuenta la inflación, costaría $ 140 mil millones en la actualidad, más caro que la construcción de la Estación Espacial Internacional.

Construyendo desde el espacio

De materiales lunares lanzados en órbita
Gerard O’Neill, al señalar 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. Los costos de lanzamiento desde la Luna son potencialmente mucho más bajos que los de la Tierra, debido a la menor gravedad y la falta de resistencia atmosférica. La propuesta de los años setenta asumió el coste de lanzamiento futuro anunciado en el futuro del transbordador espacial de la NASA. Este enfoque requeriría una importante inversión inicial de capital para establecer controladores masivos en la Luna. Sin embargo, el 30 de abril de 1979, el Informe final («Utilización de recursos lunares para la construcción espacial») por 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 basados ​​en la Tierra para un sistema de tan solo treinta satélites de energía solar de 10GW de capacidad cada uno.

En 1980, cuando se hizo evidente que las estimaciones del costo de lanzamiento de la NASA para el transbordador espacial eran extremadamente optimistas, O’Neill et al. publicó otra ruta para la fabricación utilizando materiales lunares con costos iniciales mucho más bajos. Este concepto SPS de los años ochenta dependía menos de la presencia humana en el espacio y más de sistemas parcialmente autorreplicantes en la superficie lunar bajo el control remoto de trabajadores estacionados en la Tierra. La gran ganancia neta de energía de esta propuesta se deriva del pozo gravitacional mucho menos profundo de la Luna.

Tener una fuente de materia prima relativamente barata por libra del espacio disminuiría la preocupación por los diseños de baja masa y resultaría en la construcción de un tipo diferente de SPS. El bajo costo por libra de materiales lunares en la visión de O’Neill sería respaldado por el uso de material lunar para fabricar más instalaciones en órbita que solo los 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 controlador de masa lunar y el elevador espacial lunar, descrito por primera vez por Jerome Pearson. Requeriría establecer instalaciones de extracción de silicio y fabricación de células solares en la Luna.

En la Luna
Físico El Dr. David Criswell sugiere que la Luna es la ubicación óptima para las estaciones de energía solar y promueve la energía solar basada en la Luna. La principal ventaja que él prevé es la construcción de materiales lunares disponibles localmente, usando la utilización de recursos in situ, con una fábrica móvil teleoperada y grúa para ensamblar los reflectores de microondas y rovers para ensamblar y pavimentar celdas solares, lo que reduciría significativamente los costos de lanzamiento en comparación a los diseños de SBSP. Los satélites de relé de potencia que orbitan alrededor de la Tierra y la Luna que refleja el haz de microondas también son parte del proyecto. Un proyecto de demostración de 1 GW comienza en $ 50 mil millones. La Corporación Shimizu utiliza una combinación de láser y microondas para el concepto de Luna Ring, junto con satélites de retransmisión de potencia.

Desde un asteroide
La minería de asteroides también se ha considerado seriamente. Un estudio de diseño de la NASA evaluó un vehículo de minería de 10,000 toneladas (que se ensamblará en órbita) que devolvería un fragmento de asteroide de 500,000 toneladas a la órbita geoestacionaria. Solo unas 3.000 toneladas del barco minero serían carga útil tradicional de grado aeroespacial. El resto sería la masa de reacción para el motor del controlador de masa, que podría ser el escenario de los cohetes usados ​​para lanzar la carga útil. Suponiendo que el 100% del asteroide devuelto fuera útil, y que el propio minero de asteroides no pudiera ser reutilizado, eso representa una reducción de casi el 95% en los costos de lanzamiento. Sin embargo, los verdaderos méritos de tal método dependerían de un estudio exhaustivo de los minerales de los asteroides candidatos; hasta el momento, solo tenemos estimaciones de su composición. 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 tiene 50 veces el tamaño de Apophis y lo suficientemente grande como para construir 7.500 satélites de energía solar de 5 Gigavatios

Configuraciones no típicas y consideraciones arquitectónicas
El sistema de referencia típico de sistemas implica un número significativo (varios miles de sistemas de varios gigavatios para dar servicio a la totalidad oa una parte significativa de los requisitos de energía de la Tierra) de satélites individuales en GEO. El diseño de referencia típico para el satélite individual está en el rango de 1-10 GW y generalmente involucra energía solar fotovoltaica planar o concentrada (PV) como colector / conversión de energía. Los diseños de transmisión más típicos se encuentran en la banda de RF de 1-10 GHz (2.45 o 5.8 GHz) donde hay pérdidas mínimas en la atmósfera. Los materiales para los satélites provienen y se fabrican en la Tierra y se espera que sean transportados a LEO a través de un lanzamiento de cohete reutilizable, y transportados entre LEO y GEO mediante propulsión química o eléctrica. En resumen, las opciones de arquitectura son:

Ubicación = GEO
Colección de energía = PV
Satélite = Estructura Monolítica
Transmisión = RF
Materiales y fabricación = Tierra
Instalación = RLVs a LEO, químicos a GEO

Hay varias variantes de diseño interesantes del sistema de referencia:

Ubicación alterna de recolección de energía: Si bien GEO es más típico debido a sus ventajas de cercanía a la Tierra, simplificación de señalamiento y seguimiento, muy poco tiempo de ocultación y escalabilidad para satisfacer toda la demanda global varias veces, se han propuesto otros lugares:

Sun Earth L1: Robert Kennedy III, Ken Roy y David Fields han propuesto una variante de la sombrilla L1 llamada «Dyson Dots», donde un colector primario de varios teravatios devolvería energía a una serie de satélites receptores LEO sincrónicos al sol. La distancia mucho más lejos a la Tierra requiere una apertura de transmisión correspondientemente mayor.
Superficie lunar: el Dr. David Criswell ha propuesto utilizar la superficie lunar en sí misma como medio de recolección, irradiando poder al suelo a través de una serie de reflectores de microondas en la órbita de la Tierra. La principal ventaja de este enfoque sería la capacidad de fabricar los colectores solares in-situ sin el costo de energía y la complejidad del lanzamiento. Las desventajas incluyen la distancia mucho más larga, que requiere sistemas de transmisión más grandes, la «sobre construcción» requerida para hacer frente a la noche lunar, y la dificultad de fabricación suficiente y la orientación de los satélites reflectores.
MEO: los sistemas MEO se han propuesto para las utilidades en el espacio y las infraestructuras de propulsión de haz de potencia. Por ejemplo, vea el periódico de Royce Jones.
Órbitas altamente elípticas: las órbitas de Molniya, Tundra o Quazi Zenith se han propuesto como ubicaciones tempranas para nichos de mercado, requieren menos energía para acceder y proporcionan buena persistencia.
Sun-Sync LEO: en esta órbita cercana a Polar, los satélites tienen un ritmo de precesión que les permite enfrentar siempre al Sol mientras giran alrededor de la Tierra. Esta es una órbita de fácil acceso que requiere mucha menos energía, y su proximidad a la Tierra requiere aberturas de transmisión más pequeñas (y por lo tanto menos masivas). Sin embargo, las desventajas de este enfoque incluyen tener que cambiar constantemente las estaciones receptoras, o almacenar energía para una transmisión en ráfagas. Esta órbita ya está llena de gente y tiene importantes desechos espaciales.
LEO ecuatorial: el SPS 2000 de Japón propuso un demostrador temprano en LEO ecuatorial en el cual las naciones participantes ecuatoriales múltiples podrían recibir algo de poder.
La superficie de la Tierra: el Dr. Narayan Komerath ha propuesto una red de energía espacial donde el exceso de energía de una red existente o planta de energía en un lado del planeta se puede pasar a la órbita, a otro satélite y a los receptores.

Colección de energía: los diseños más típicos para los satélites de energía solar incluyen energía fotovoltaica. Estos pueden ser planos (y normalmente pasivamente enfriados), concentrados (y tal vez enfriados activamente). Sin embargo, hay múltiples variantes interesantes.

Solar Térmico: Los defensores de la energía solar térmica han propuesto usar un calentamiento concentrado para provocar un cambio de estado en un fluido para extraer energía a través de maquinaria rotativa seguida de refrigeración en radiadores. Las ventajas de este método pueden incluir la masa general del sistema (en disputa), la no degradación debida al daño del viento solar y la tolerancia a la radiación. Un diseño de satélite de energía solar térmica reciente por Keith Henson se ha visualizado aquí.
Láser de bombeo solar: Japón ha seguido un láser de bombeo solar, donde la luz del sol excita directamente el medio láser utilizado para crear el haz coherente a la Tierra.
Fusion Decay: esta versión de un satélite de potencia no es «solar». Más bien, el vacío del espacio se ve como una «característica no un error» para la fusión tradicional. Según el Dr. Paul Werbos, después de la fusión, incluso las partículas neutras se descomponen en partículas cargadas que en un volumen suficientemente grande permitirían la conversión directa a la corriente. [Cita requerida]
Solar Wind Loop: también llamado satélite Dyson-Harrop. Aquí el satélite utiliza no los fotones del Sol sino las partículas cargadas en el viento solar que a través de un acoplamiento electromagnético generan una corriente en un gran bucle.
Espejos directos: los primeros conceptos para la redirección directa del espejo de la luz al planeta Tierra sufrieron el problema de que los rayos provenientes del sol no son paralelos sino que se expanden desde un disco, por lo que el tamaño de la mancha en la Tierra es bastante grande. El Dr. Lewis Fraas ha explorado una serie de espejos parabólicos para aumentar los paneles solares existentes.

Arquitectura de satélites alternativos: el satélite típico es una estructura monolítica compuesta por una armadura estructural, uno o más colectores, uno o más transmisores y, ocasionalmente, reflectores primarios y secundarios. Toda la estructura puede estar estabilizada por gradiente de gravedad. Los diseños alternativos incluyen:

Enjambres de satélites más pequeños: algunos diseños proponen enjambres de satélites más pequeños que vuelan libremente. Este es el caso con varios diseños de láser, y parece ser el caso con Flying Carpets de CALTECH. Para los diseños de RF, una restricción de ingeniería es el problema de matriz dispersa.
Componentes flotantes libres: Solaren ha propuesto una alternativa a la estructura monolítica donde el reflector primario y el reflector de la transmisión están volando libremente.
Estabilización de espín: la NASA exploró un concepto de película fina estabilizada por rotación.
Estructura estabilizada del propulsor láser fotónico (PLT): el Dr. Young Bae ha propuesto que la presión del fotón puede sustituir a los miembros compresivos en estructuras grandes.

Transmisión: el diseño más típico para la transmisión de energía es a través de una antena de RF por debajo de 10 GHz a una antena en el suelo. Existe controversia entre los beneficios de Klystrons, Gyrotrons, Magnetrons y estado sólido. Los enfoques alternativos de transmisión incluyen:

Láser: Los láseres ofrecen la ventaja de un costo y una masa mucho más bajos que la primera potencia, sin embargo, existe controversia con respecto a los beneficios de la eficiencia. Los láseres permiten aberturas de transmisión y recepción mucho más pequeñas. Sin embargo, una viga altamente concentrada tiene seguridad para los ojos, seguridad contra incendios y armas. Los proponentes creen que tienen respuestas a todas estas preocupaciones. Un enfoque basado en láser también debe encontrar formas alternativas de hacer frente a la precipitación.
Guía de onda atmosférica: Algunos han propuesto que es posible usar un láser de pulso corto para crear una guía de onda atmosférica a través de la cual fluyan las microondas concentradas.
Escalar: Algunos incluso han especulado que es posible transmitir potencia a través de ondas escalares.
Síntesis nuclear: los aceleradores de partículas basados ​​en el sistema solar interior (ya sea en órbita o en un planeta como Mercurio) podrían usar energía solar para sintetizar combustible nuclear a partir de materiales naturales. Si bien esto sería muy ineficiente utilizando la tecnología actual (en términos de la cantidad de energía necesaria para fabricar el combustible en comparación con la cantidad de energía contenida en el combustible) y plantearía obvios problemas de seguridad nuclear, la tecnología básica sobre la cual tal enfoque sería confía en que ha estado en uso durante décadas, lo que hace que este sea posiblemente el medio más confiable para enviar energía, especialmente en distancias muy largas, en particular, desde el sistema solar interno hasta el sistema solar exterior.

Materiales y fabricación: los diseños típicos hacen uso del sistema de fabricación industrial desarrollado existente en la Tierra, y utilizan materiales basados ​​en la tierra tanto para el satélite como para el propelente. Las variantes incluyen:

Materiales lunares: existen diseños para los satélites de energía solar que abastecen> 99% de los materiales del regolito lunar con entradas muy pequeñas de «vitaminas» de otros lugares. Usar materiales de la Luna es atractivo porque el lanzamiento desde la Luna es en teoría mucho menos complicado que desde la Tierra. No hay atmósfera, por lo que no es necesario que los componentes estén empaquetados herméticamente en un aeroshell y sobrevivan las cargas de vibración, presión y temperatura. El lanzamiento puede ser a través de un controlador de masa magnética y el requisito de utilizar propulsor para el lanzamiento por completo. Desde la Luna, el GEO también requiere mucha menos energía que el pozo de gravedad mucho más profundo de la Tierra. La construcción de todos los satélites de energía solar para suministrar toda la energía requerida para todo el 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 en 1980. Más recientemente, Justin Lewis-Webber propuso un método de fabricación especiada de elementos centrales basado en el diseño SPS-Alpha de John Mankins.
Materiales asteroidales: se cree que algunos asteroides tienen un Delta-V incluso más bajo para recuperar materiales que la Luna, y algunos materiales particulares de interés, como los metales, pueden estar más concentrados o ser más fáciles de acceder.
Fabricación in-space / 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.

Contra argumentos

La seguridad
El uso de la transmisión de energía por microondas ha sido el tema más controvertido al considerar cualquier diseño de SPS. En la superficie de la Tierra, un haz de microondas sugerido tendría una intensidad máxima en su centro, de 23 mW / cm2 (menos de 1/4 de la constante de irradiación solar), y una intensidad de menos de 1 mW / cm2 fuera de la línea de cerca ( el perímetro del receptor). Estos se comparan con los límites actuales de exposición en el lugar de trabajo de la Ley de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) de Estados Unidos, que son 10 mW / cm2, el límite en sí mismo se expresa en términos voluntarios y no se puede aplicar para fines federales de cumplimiento de la OSHA. Por lo tanto, un haz de esta intensidad está en su centro, de una magnitud similar a los niveles actuales de seguridad en el lugar de trabajo, incluso para la exposición a largo plazo o indefinida. Fuera del receptor, es mucho menor que los niveles de OSHA a largo plazo. Más del 95% de la energía del rayo caerá sobre la recrena. La energía restante de microondas será absorbida y dispersada dentro de los estándares actualmente impuestos a las emisiones de microondas en todo el mundo. Es importante para la eficiencia del sistema que la mayor parte posible de la radiación de microondas se centre en la recrena. Fuera de la rectenna, las intensidades de microondas disminuyen rápidamente, por lo que los pueblos cercanos u otras actividades humanas no deberían verse afectadas.

La exposición al rayo se puede minimizar de otras maneras. Sobre el terreno, el acceso físico es controlable (por ejemplo, a través de vallas) y las aeronaves típicas que vuelan a través del rayo proporcionan a los pasajeros una carcasa protectora de metal (es decir, una jaula de Faraday) que interceptará las microondas. Otros aviones (globos, ultraligeros, etc.) pueden evitar la exposición al observar los espacios de control del avión, como se hace actualmente para el espacio aéreo militar y de otro tipo. La intensidad del haz de microondas a nivel del suelo en el centro de la viga se diseñaría y físicamente incorporada al sistema; simplemente, el transmisor estaría demasiado lejos y demasiado pequeño para poder aumentar la intensidad a niveles inseguros, incluso en principio.

Además, una restricción de diseño es que el haz de microondas no debe ser tan intenso como para dañar a la vida silvestre, particularmente a las aves. Los experimentos con irradiación deliberada de microondas a niveles razonables no han podido mostrar los efectos negativos incluso a lo largo de múltiples generaciones. Se han hecho sugerencias para ubicar retennas en alta mar, pero esto presenta serios problemas, que incluyen corrosión, tensiones mecánicas y contaminación biológica.

Un enfoque comúnmente propuesto para asegurar la segmentación de haz a prueba de fallas es usar una antena / recrena de matriz en fase retrodirectiva. Un haz de microondas «piloto» emitido desde el centro de la recrena en el suelo establece un frente de fase en la antena transmisora. Allí, los circuitos en cada subarreglo de la antena comparan el frente de fase del haz piloto con una fase de reloj interno para controlar la fase de la señal de salida. Esto obliga al haz transmitido a centrarse precisamente en la recrena y a tener un alto grado de uniformidad de fase; if the pilot beam is lost for any reason (if the transmitting antenna is turned away from the rectenna, for example) the phase control value fails and the microwave power beam is automatically defocused. Such a system would be physically incapable of focusing its power beam anywhere that did not have a pilot beam transmitter. The long-term effects of beaming power through the ionosphere in the form of microwaves has yet to be studied, but nothing has been suggested which might lead to any significant effect.