L’energia solare basata sullo spazio (SBSP) è il concetto di raccogliere l’energia solare nello spazio e di distribuirla sulla Terra. I potenziali vantaggi della raccolta di energia solare nello spazio includono una maggiore velocità di raccolta e un periodo di raccolta più lungo a causa della mancanza di un’atmosfera diffusiva, e la possibilità di collocare un collettore solare in una posizione orbitante dove non c’è notte. Una considerevole frazione dell’energia solare in arrivo (55-60%) viene persa nel suo percorso attraverso l’atmosfera terrestre dagli effetti della riflessione e dell’assorbimento. I sistemi di energia solare basati sullo spazio convertono la luce solare in microonde al di fuori dell’atmosfera, evitando queste perdite e i tempi di fermo dovuti alla rotazione terrestre, ma a un costo elevato a causa delle spese di lancio del materiale in orbita. SBSP è considerato una forma di energia sostenibile o verde, energia rinnovabile, ed è occasionalmente considerato tra le proposte di ingegneria del clima. È interessante per coloro che cercano soluzioni su larga scala al cambiamento climatico antropogenico o all’esaurimento del combustibile fossile (come il picco del petrolio).
Varie proposte SBSP sono state studiate fin dai primi anni ’70, ma nessuna è economicamente valida con l’attuale infrastruttura di lancio spaziale. Un modesto sistema a microonde della gamma Gigawatt, paragonabile a una grande centrale elettrica commerciale, richiederebbe il lancio di circa 80.000 tonnellate di materiale in orbita, rendendo il costo dell’energia da tale sistema molto più costoso delle attuali energie rinnovabili. Alcuni tecnologi ipotizzano che questo potrebbe cambiare in un lontano futuro se si dovesse sviluppare una base industriale fuori dal mondo che potrebbe produrre satelliti per l’energia solare da asteroidi o materiale lunare, o se nel nuovo spazio dovrebbero essere disponibili tecnologie di lancio spaziali radicaliche diverse dalla missilistica futuro.
Oltre al costo di implementazione di tale sistema, SBSP introduce anche numerosi ostacoli tecnologici, tra cui il problema di trasmettere energia dall’orbita alla superficie terrestre per l’uso. Poiché i cavi che si estendono dalla superficie terrestre a un satellite in orbita non sono né pratici né fattibili con la tecnologia attuale, i progetti SBSP includono generalmente l’uso di una qualche forma di trasmissione di energia wireless con le relative inefficienze di conversione, così come i problemi di uso del suolo per le stazioni dell’antenna necessarie a ricevere l’energia sulla superficie terrestre. Il satellite di raccolta convertirà l’energia solare in energia elettrica a bordo, alimentando un trasmettitore a microonde o un emettitore laser e trasmetterà questa energia a un collettore (o rectenna a microonde) sulla superficie terrestre. Contrariamente alle apparizioni di SBSP nei romanzi e nei videogiochi popolari, la maggior parte dei progetti propone densità di energia del fascio che non sono dannose se gli esseri umani dovessero essere inavvertitamente esposti, come se il raggio di un satellite trasmittente dovesse vagare fuori rotta. Ma le enormi dimensioni delle antenne riceventi che sarebbero necessarie richiederebbero comunque grandi blocchi di terreno vicino agli utenti finali da procurarsi e dedicati a questo scopo. La durata utile dei collettori spaziali di fronte alle sfide derivanti dall’esposizione a lungo termine all’ambiente spaziale, incluso il degrado da radiazioni e danni da micrometeoroidi, potrebbe anche diventare una preoccupazione per SBSP.
SBSP è attivamente perseguito da Giappone, Cina e Russia. Nel 2008 il Giappone ha approvato la sua Legge di base dello spazio che ha stabilito lo Space Solar Power come obiettivo nazionale e JAXA ha una roadmap per lo SBSP commerciale. Nel 2015 la China Academy for Space Technology (CAST) ha illustrato la loro roadmap alla International Space Development Conference (ISDC), dove ha illustrato la loro road map a un sistema commerciale da 1 GW nel 2050 e ha presentato un video e una descrizione del loro design.
Le sfide
Potenziale
Il concetto SBSP è interessante perché lo spazio ha diversi importanti vantaggi sulla superficie terrestre per la raccolta di energia solare:
È sempre mezzogiorno solare nello spazio e pieno sole.
Le superfici di raccolta potrebbero ricevere una luce solare molto più intensa, a causa della mancanza di ostacoli come gas atmosferici, nuvole, polvere e altri eventi meteorologici. Di conseguenza, l’intensità in orbita è circa il 144% dell’intensità massima raggiungibile sulla superficie terrestre.
Un satellite può essere illuminato per oltre il 99% delle volte, ed essere nell’ombra della Terra un massimo di soli 72 minuti per notte agli equinozi di primavera ed autunno a mezzanotte locale. I satelliti in orbita possono essere esposti a un livello costantemente elevato di radiazione solare, generalmente per 24 ore al giorno, mentre i pannelli solari di superficie terrestre attualmente raccolgono energia per una media del 29% della giornata.
Il potere potrebbe essere reindirizzato in modo relativamente rapido direttamente alle aree che ne hanno più bisogno. Un satellite di raccolta potrebbe eventualmente indirizzare l’energia elettrica su richiesta in diverse posizioni di superficie in base al fabbisogno di carico geografico di base o di picco. I contratti tipici sarebbero per baseload, potenza continua, dal momento che il potere di picco è effimero.
Eliminazione delle interferenze di piante e animali selvatici.
Con implementazioni su scala molto grande, specialmente a basse altitudini, potenzialmente può ridurre la radiazione solare in arrivo che raggiunge la superficie terrestre. Ciò sarebbe auspicabile per contrastare gli effetti del riscaldamento globale.
svantaggi
Il concetto SBSP ha anche una serie di problemi:
Il grande costo di lanciare un satellite nello spazio
La maledizione dell’array assottigliato che impedisce una trasmissione efficiente di energia dallo spazio alla superficie terrestre
Inaccessibilità: la manutenzione di un pannello solare a terra è relativamente semplice, ma la costruzione e la manutenzione di un pannello solare nello spazio di solito vengono effettuate teleroboticamente. Oltre ai costi, gli astronauti che lavorano in GEO (orbita terrestre geosincrona) sono esposti a pericoli e rischi di radiazioni inaccettabilmente elevati e costano circa mille volte di più dello stesso compito svolto teléra- poticamente.
L’ambiente spaziale è ostile; i pannelli subiscono circa 8 volte il degrado che avrebbero sulla Terra (eccetto che per le orbite protette dalla magnetosfera).
I detriti spaziali rappresentano un grave pericolo per i grandi oggetti nello spazio e tutte le grandi strutture come i sistemi SBSP sono state citate come potenziali fonti di detriti orbitali.
La frequenza di trasmissione del downlink a microonde (se utilizzata) richiederebbe l’isolamento dei sistemi SBSP da altri satelliti. Lo spazio GEO è già ben utilizzato e si ritiene improbabile che l’ITU possa consentire l’avvio di un SPS. [Citazione irrilevante]
Le grandi dimensioni e il costo corrispondente della stazione di ricezione sul terreno.
Perdite di energia durante diverse fasi di conversione dai fotoni agli elettroni ai fotoni indietro agli elettroni.
Design
L’energia solare basata sullo spazio consiste essenzialmente di tre elementi:
raccolta di energia solare nello spazio con riflettori o specchietti gonfiabili su celle solari
trasmissione di energia wireless a terra tramite microonde o laser
ricevere energia sulla Terra tramite una rectenna, un’antenna a microonde
La porzione spaziale non avrà bisogno di sostentarsi contro la gravità (a parte lo stress di marea relativamente debole). Non ha bisogno di protezione dal vento terrestre o dalle intemperie, ma dovrà far fronte a pericoli spaziali come micrometeori e brillamenti solari. Sono stati studiati due metodi di conversione di base: fotovoltaico (PV) e solare dinamico (SD). La maggior parte delle analisi di SBSP si è concentrata sulla conversione fotovoltaica utilizzando celle solari che convertono direttamente la luce solare in energia elettrica. La dinamica solare utilizza specchi per concentrare la luce su una caldaia. L’uso della dinamica solare potrebbe ridurre la massa per watt. La trasmissione di energia wireless è stata proposta all’inizio come mezzo per trasferire energia dalla raccolta alla superficie terrestre, usando sia la radiazione laser che quella a microonde a una varietà di frequenze.
Trasmissione di potenza a microonde
William C. Brown ha dimostrato nel 1964, durante il programma CBS News di Walter Cronkite, un modello di elicottero a microonde che ha ricevuto tutta la potenza di cui aveva bisogno per il volo da un raggio di microonde. Tra il 1969 e il 1975, Bill Brown era direttore tecnico di un programma JPL Raytheon che trasmetteva 30 kW di potenza su una distanza di 1,6 km con un’efficienza dell’84%.
La trasmissione di potenza a microonde di decine di kilowatt è stata ben dimostrata dai test esistenti a Goldstone in California (1975) e Grand Bassin su Reunion Island (1997).
Più recentemente, è stata dimostrata la trasmissione di potenza a microonde, insieme alla cattura di energia solare, tra una cima di una montagna a Maui e l’isola di Hawaii (92 miglia di distanza), da una squadra sotto John C. Mankins. Le sfide tecnologiche in termini di disposizione della matrice, progettazione di un singolo elemento di radiazione e efficienza complessiva, nonché i relativi limiti teorici sono attualmente oggetto di ricerca, come dimostrato dalla Sessione speciale su “Analisi dei sistemi wireless elettromagnetici per la trasmissione di energia solare “si terrà nel Simposio IEEE 2010 su Antenne e Propagazione. Nel 2013 è stata pubblicata una panoramica utile che copre le tecnologie e le problematiche associate alla trasmissione di potenza a microonde dallo spazio al suolo. Include un’introduzione all’SPS, alla ricerca attuale e alle prospettive future. Inoltre, una revisione delle attuali metodologie e tecnologie per la progettazione di array di antenne per la trasmissione di potenza a microonde è apparsa negli Atti dell’IEEE
Trasmissione di potenza laser
La NASA ha immaginato che la trasmissione laser del fascio di luce fosse un trampolino di lancio verso un’ulteriore industrializzazione dello spazio. Negli anni ’80, i ricercatori della NASA hanno lavorato sull’uso potenziale dei laser per il fascio di luce spazio-spazio, concentrandosi principalmente sullo sviluppo di un laser a energia solare. Nel 1989 fu suggerito che il potere potesse anche essere opportunamente teletrasportato dal laser dalla Terra allo spazio. Nel 1991 era iniziato il progetto SELENE (SpacE Laser ENErgy), che comprendeva lo studio del raggio laser di potenza per fornire energia a una base lunare. Il programma SELENE era uno sforzo di ricerca di due anni, ma il costo di portare il concetto a uno stato operativo era troppo alto, e il progetto ufficiale terminò nel 1993 prima di raggiungere una dimostrazione spaziale.
Nel 1988 l’uso di un laser terrestre per alimentare un propulsore elettrico per la propulsione spaziale fu proposto da Grant Logan, con dettagli tecnici elaborati nel 1989. Propose di utilizzare celle solari a diamante funzionanti a 600 gradi per convertire la luce laser ultravioletta.
Posizione orbitale
Il vantaggio principale di localizzare una centrale elettrica spaziale in orbita geostazionaria è che la geometria dell’antenna rimane costante, quindi è più semplice mantenere allineate le antenne. Un altro vantaggio è che la trasmissione quasi continua di energia è immediatamente disponibile non appena la prima centrale elettrica spaziale viene posta in orbita; altre centrali spaziali hanno tempi di avviamento molto più lunghi prima che producano energia quasi continua. Una serie di centrali spaziali LEO (Low Earth Orbit) è stata proposta come precursore dell’energia solare GEO (Geostationary Orbit) basata sullo spazio.
Ricevitore terrestre
La rectenna basata sulla Terra probabilmente consisterebbe in molte antenne dipolari corte collegate tramite diodi. Le trasmissioni a microonde dal satellite verrebbero ricevute nei dipoli con un’efficienza di circa l’85%. Con un’antenna a microonde convenzionale, l’efficienza di ricezione è migliore, ma anche i costi e la complessità sono considerevolmente maggiori. I rettiliani sarebbero probabilmente diversi chilometri.
Nelle applicazioni spaziali
Un laser SBSP potrebbe anche alimentare una base o veicoli sulla superficie della Luna o di Marte, risparmiando sui costi di massa per far atterrare la fonte di energia. Anche un veicolo spaziale o un altro satellite potrebbero essere alimentati con lo stesso mezzo. In un rapporto del 2012 presentato alla NASA su Space Solar Power, l’autore menziona un altro potenziale uso della tecnologia alla base dello Space Solar Power potrebbe essere per i sistemi di propulsione solare elettrica che potrebbero essere utilizzati per le missioni di esplorazione umana interplanetaria.
Costi di lancio
Un problema per il concetto SBSP è il costo dei lanci spaziali e la quantità di materiale che dovrebbe essere lanciato.
Gran parte del materiale lanciato non deve essere immediatamente consegnato alla sua orbita finale, il che solleva la possibilità che motori ad alta efficienza (ma più lenti) possano spostare il materiale SPS da LEO a GEO ad un costo accettabile. Gli esempi includono i propulsori ionici o la propulsione nucleare. Il raggio di alimentazione dall’orbita geostazionaria delle microonde porta la difficoltà che le dimensioni richieste dell’apertura ottica sono molto grandi. Ad esempio, lo studio SPS della NASA del 1978 ha richiesto un’antenna trasmittente del diametro di 1 km e un diametro di 10 km per ricevere un raggio di microonde a 2,45 GHz. Queste dimensioni possono essere leggermente ridotte utilizzando lunghezze d’onda più corte, sebbene abbiano aumentato l’assorbimento atmosferico e persino il potenziale blocco del fascio da pioggia o gocce d’acqua. A causa della maledizione dell’array diluito, non è possibile creare un raggio più stretto combinando i raggi di diversi satelliti più piccoli. Le grandi dimensioni delle antenne trasmittenti e riceventi significano che il livello minimo di potenza pratica per un SPS sarà necessariamente elevato; piccoli sistemi SPS saranno possibili, ma antieconomici.
Per dare un’idea della portata del problema, ipotizzando una massa di pannelli solari di 20 kg per kilowatt (senza considerare la massa della struttura di supporto, dell’antenna, o qualsiasi significativa riduzione di massa di eventuali specchi di messa a fuoco), una centrale elettrica da 4 GW peserebbe circa 80.000 tonnellate, ognuna delle quali, nelle attuali circostanze, verrebbe lanciata dalla Terra. I progetti molto leggeri potrebbero probabilmente raggiungere 1 kg / kW, vale a dire 4.000 tonnellate per i pannelli solari per la stessa stazione di capacità da 4 GW. Questo sarebbe l’equivalente di tra 40 e 150 lanci di veicoli di lancio pesante (HLLV) per inviare il materiale a bassa orbita terrestre, dove verrebbe probabilmente convertito in array solari di sottoinsieme, che potrebbero quindi utilizzare lo stile del motore ionico ad alta efficienza razzi per raggiungere (lentamente) GEO (orbita geostazionaria). Con un costo di lancio seriale stimato per gli HLLV basati su shuttle da $ 500 milioni a $ 800 milioni e costi di lancio per HLLV alternativi a $ 78 milioni, i costi di lancio totali sarebbero compresi tra $ 11 miliardi (HLLV a basso costo, pannelli a basso peso) e $ 320 miliardi (‘ costoso ‘HLLV, pannelli più pesanti). A questi costi si deve aggiungere l’impatto ambientale delle missioni di lancio nello spazio pesante, se tali costi devono essere utilizzati rispetto alla produzione di energia a terra. Per fare un confronto, il costo diretto di un nuovo carbone o di una centrale nucleare varia da $ 3 a $ 6 miliardi per GW (senza considerare il costo totale per l’ambiente dovuto alle emissioni di CO2 o allo stoccaggio del combustibile nucleare esaurito, rispettivamente); un altro esempio è che le missioni Apollo sulla Luna costano un totale complessivo di $ 24 miliardi (dollari degli anni ’70), tenendo conto dell’inflazione, costerebbe 140 miliardi di dollari oggi, più costoso della costruzione della Stazione Spaziale Internazionale.
Costruire dallo spazio
Dai materiali lunari lanciati in orbita
Gerard O’Neill, notando il problema degli alti costi di lancio nei primi anni ’70, propose di costruire gli SPS in orbita con materiali provenienti dalla Luna. I costi di lancio dalla Luna sono potenzialmente molto più bassi che dalla Terra, a causa della gravità più bassa e della mancanza di resistenza atmosferica. Questa proposta degli anni ’70 assunse il costo di lancio futuro pubblicizzato della navetta spaziale della NASA. Questo approccio richiederebbe ingenti investimenti iniziali per stabilire i conducenti di massa sulla Luna. Tuttavia, il 30 aprile 1979, il Rapporto finale (“Utilizzo delle risorse lunari per l’edilizia spaziale”) della Divisione Convair della General Dynamics, nell’ambito del contratto NAS9-15560 della NASA, concluse che l’uso di risorse lunari sarebbe più economico dei materiali basati sulla Terra per un sistema di soli 30 satelliti di potenza solare da 10 GW ciascuno.
Nel 1980, quando divenne ovvio, le stime dei costi di lancio della NASA per lo space shuttle furono grossolanamente ottimistiche, O’Neill et al. pubblicato un altro percorso per la produzione utilizzando materiali lunari con costi di avvio molto più bassi. Questo concetto SPS degli anni ’80 si basava meno sulla presenza umana nello spazio e più su sistemi parzialmente auto-replicanti sulla superficie lunare sotto il controllo remoto dei lavoratori stazionati sulla Terra. L’elevato guadagno di energia netto di questa proposta deriva dal pozzo gravitazionale molto più superficiale della Luna.
La disponibilità di una fonte di materie prime relativamente poco costosa proveniente dallo spazio ridurrebbe la preoccupazione per i progetti di massa ridotta e determinerebbe la costruzione di un diverso tipo di SPS. Il basso costo per libbra di materiali lunari nella visione di O’Neill sarebbe supportato dall’uso di materiale lunare per la produzione di più strutture in orbita rispetto ai soli satelliti di energia solare. Le tecniche avanzate per il lancio dalla Luna possono ridurre il costo di costruzione di un satellite di energia solare da materiali lunari. Alcune tecniche proposte includono il guidatore di massa lunare e l’ascensore spaziale lunare, descritto per la prima volta da Jerome Pearson. Richiederebbe la creazione di miniere di silicio e impianti di produzione di celle solari sulla Luna.
Sulla Luna
Il fisico David Criswell suggerisce che la Luna è la posizione ottimale per le centrali solari e promuove l’energia solare a base lunare. Il principale vantaggio che immagina è la costruzione in gran parte di materiali lunari disponibili localmente, utilizzando l’utilizzo delle risorse in loco, con una fabbrica mobile telecomandata e gru per assemblare i riflettori a microonde e rover per assemblare e spianare celle solari, il che ridurrebbe significativamente i costi di lancio rispetto ai progetti SBSP. Anche i satelliti per relè di potenza in orbita attorno alla Terra e la Luna che riflette il raggio delle microonde fanno parte del progetto. Un progetto demo di 1 GW parte da $ 50 miliardi. La Shimizu Corporation usa la combinazione di laser e microonde per il concetto di Luna Ring, insieme ai satelliti per relè di potenza.
Da un asteroide
Anche l’estrazione di asteroidi è stata seriamente presa in considerazione. Uno studio di progettazione della NASA ha valutato un veicolo minerario da 10.000 tonnellate (da assemblare in orbita) che restituirebbe un frammento di asteroide da 500.000 tonnellate all’orbita geostazionaria. Solo circa 3.000 tonnellate della nave mineraria sarebbero un carico utile tradizionale di tipo aerospaziale. Il resto sarebbe la massa di reazione per il motore del guidatore di massa, che potrebbe essere predisposto per le fasi del razzo esaurito utilizzate per il lancio del carico utile. Supponendo che il 100% dell’asteroide restituito fosse utile e che l’asteroide stesso non potesse essere riutilizzato, il che rappresenta una riduzione di quasi il 95% dei costi di lancio. Tuttavia, i veri meriti di tale metodo dipenderebbero da un’analisi approfondita dei minerali degli asteroidi candidati; finora, abbiamo solo stime della loro composizione. Una proposta è quella di catturare l’asteroide Apophis in orbita terrestre e convertirlo in 150 satelliti di potenza solare di 5 GW ciascuno o l’asteroide più grande 1999 AN10 che è 50x delle dimensioni di Apophis e abbastanza grande da costruire 7.500 satelliti a 5-Gigawatt di energia solare
Configurazioni non tipiche e considerazioni architettoniche
Il sistema di sistemi di riferimento tipico coinvolge un numero significativo (diverse migliaia di sistemi multi-gigawatt per soddisfare tutti o una parte significativa del fabbisogno energetico della Terra) dei singoli satelliti in GEO. Il progetto di riferimento tipico per il singolo satellite si trova nell’intervallo 1-10 GW e di solito coinvolge il fotovoltaico planare o concentrato (PV) come collettore / conversione di energia. I progetti di trasmissione più tipici sono nella banda RF a 1-10 GHz (2,45 o 5,8 GHz) dove ci sono minime perdite nell’atmosfera. I materiali per i satelliti provengono da e prodotti sulla Terra e dovrebbero essere trasportati a LEO attraverso il lancio di razzi riutilizzabili e trasportati tra LEO e GEO tramite propulsione chimica o elettrica. In sintesi, le scelte di architettura sono:
Posizione = GEO
Raccolta di energia = PV
Satellite = Struttura monolitica
Trasmissione = RF
Materiali e produzione = terra
Installazione = RLVs a LEO, Chemical a GEO
Esistono diverse varianti di design interessanti dal sistema di riferimento:
Posizione alternativa per la raccolta di energia: mentre GEO è più tipico a causa dei suoi vantaggi di vicinanza alla Terra, puntamento e localizzazione semplificati, tempo di occultazione molto ridotto e scalabilità per soddisfare più volte la domanda globale, sono stati proposti altri luoghi:
Sun Earth L1: Robert Kennedy III, Ken Roy e David Fields hanno proposto una variante del parasole L1 chiamato “Dyson Dots”, dove un collettore primario multi-terawatt restituirebbe energia a una serie di satelliti ricevitore sincrono solare LEO. La distanza molto più lontana dalla Terra richiede un’apertura di trasmissione corrispondentemente più grande.
Superficie lunare: il dott. David Criswell ha proposto di utilizzare la superficie lunare stessa come mezzo di raccolta, trasmettendo energia a terra tramite una serie di riflettori a microonde nell’orbita terrestre. Il principale vantaggio di questo approccio sarebbe la capacità di produrre i collettori solari in-situ senza il costo energetico e la complessità del lancio. Gli svantaggi includono la distanza molto più lunga, che richiede sistemi di trasmissione più grandi, il “sovraccarico” necessario per affrontare la notte lunare e la difficoltà di produzione e puntamento sufficienti dei satelliti riflettori.
MEO: i sistemi MEO sono stati proposti per le utilities in-space e le infrastrutture di propulsione a fascio. Ad esempio, vedi la carta di Royce Jones.
Orbite altamente ellittiche: le orbite Molniya, Tundra o Quazi Zenith sono state proposte come prime posizioni per mercati di nicchia, richiedendo meno energia per accedere e fornire una buona persistenza.
LEO Sun-Sync: in questa orbita polare vicina, i satelliti richiedono una velocità che consente loro di affrontare sempre il Sole mentre ruotano attorno alla Terra. Questa è un’orbita di facile accesso che richiede molta meno energia e la sua vicinanza alla Terra richiede aperture di trasmissione più piccole (e quindi meno massicce). Tuttavia, gli svantaggi di questo approccio includono dover spostare costantemente le stazioni di ricezione o immagazzinare energia per una trasmissione a raffica. Questa orbita è già affollata e presenta notevoli detriti spaziali.
LEO equatoriale: l’SPS giapponese del 2000 ha proposto un primo dimostratore nel LEO equatoriale in cui più nazioni partecipanti equatoriali potrebbero ricevere un po ‘di potere.
Superficie terrestre: il dott. Narayan Komerath ha proposto una griglia di energia spaziale in cui l’energia in eccesso proveniente da una rete o centrale elettrica esistente su un lato del pianeta può essere trasferita in orbita, attraverso un altro satellite e verso i ricevitori.
Collezione di energia: i progetti più tipici per i satelliti di energia solare includono il fotovoltaico. Questi possono essere planari (e di solito raffreddati passivamente), concentrati (e forse attivamente raffreddati). Tuttavia, ci sono più varianti interessanti.
Solare termico: i sostenitori del solare termico hanno proposto di utilizzare il riscaldamento concentrato per provocare un cambiamento di stato in un fluido per estrarre energia tramite macchinari rotanti, seguiti dal raffreddamento dei radiatori. I vantaggi di questo metodo potrebbero includere la massa complessiva del sistema (contestata), la non degradazione dovuta al danno del vento solare e la tolleranza alle radiazioni. Qui è stato visualizzato un progetto recente di satellite per energia solare di Keith Henson.
Solar Pumped Laser: il Giappone ha perseguito un laser a pompaggio solare, in cui la luce solare eccita direttamente il mezzo laser utilizzato per creare il raggio coerente verso la Terra.
Fusion Decay: questa versione di un satellite di potenza non è “solare”. Piuttosto, il vuoto dello spazio è visto come una “caratteristica non un bug” per la fusione tradizionale. Secondo il Dr. Paul Werbos, dopo la fusione anche particelle neutre decadono in particelle cariche che in un volume sufficientemente grande consentirebbero la conversione diretta in corrente. [Citazione necessaria]
Solar Wind Loop: anche chiamato satellite Dyson-Harrop. Qui il satellite fa uso non dei fotoni del Sole ma piuttosto delle particelle cariche nel vento solare che attraverso un accoppiamento elettromagnetico generano una corrente in un grande anello.
Specchi diretti: i primi concetti per la ri-direzione diretta dello specchio della luce sul pianeta Terra soffrivano del problema che i raggi provenienti dal sole non sono paralleli ma si espandono da un disco e quindi la dimensione del punto sulla Terra è piuttosto grande. Il dottor Lewis Fraas ha esplorato una serie di specchi parabolici per aumentare gli attuali pannelli solari.
Architettura satellite alternativa: il satellite tipico è una struttura monolitica composta da un traliccio strutturale, uno o più collettori, uno o più trasmettitori e, occasionalmente, riflettori primari e secondari. L’intera struttura può essere stabilizzata al gradiente di gravità. I progetti alternativi includono:
Sciami di satelliti più piccoli: alcuni modelli propongono sciami di satelliti più piccoli che volano liberi. Questo è il caso di diversi progetti laser e sembra essere il caso dei tappeti volanti di CALTECH. Per i progetti RF, un vincolo ingegneristico è il problema di array sparsi.
Componenti flottanti gratuiti: Solaren ha proposto un’alternativa alla struttura monolitica in cui il riflettore primario e il riflettore di trasmissione sono a volo libero.
Stabilizzazione centrifuga: la NASA ha esplorato un concetto di film sottile stabilizzato agli spin.
Struttura stabilizzata del fotonico Laser Thruster (PLT): il Dr. Young Bae ha proposto che la pressione fotonica possa sostituire i membri compressivi in strutture di grandi dimensioni.
Trasmissione: il design più tipico per la trasmissione di energia è tramite un’antenna RF inferiore a 10 GHz a un rectenna sul terreno. La polemica esiste tra i benefici di Klystron, Gyrotrons, Magnetron e stato solido. Gli approcci alternativi alla trasmissione includono:
Laser: i laser offrono il vantaggio di un costo e una massa molto più bassi rispetto alla prima potenza, tuttavia vi sono controversie in merito ai vantaggi dell’efficienza. I laser consentono aperture di trasmissione e ricezione molto più piccole. Tuttavia, un raggio altamente concentrato ha problemi di sicurezza degli occhi, di sicurezza antincendio e di armamento. I fautori credono di avere risposte a tutte queste preoccupazioni. Un approccio basato sul laser deve anche trovare modi alternativi per far fronte alle precipitazioni.
Guida d’onda atmosferica: alcuni hanno proposto che potrebbe essere possibile utilizzare un laser a impulsi brevi per creare una guida d’onda atmosferica attraverso la quale potrebbero fluire le microonde concentrate.
Scalare: alcuni hanno persino ipotizzato che sia possibile trasmettere energia tramite onde scalari.
Sintesi nucleare: gli acceleratori di particelle basati sul sistema solare interno (sia in orbita o su un pianeta come Mercurio) potrebbero utilizzare l’energia solare per sintetizzare il combustibile nucleare da materiali naturali. Mentre ciò sarebbe altamente inefficiente usando la tecnologia attuale (in termini di quantità di energia necessaria per fabbricare il combustibile rispetto alla quantità di energia contenuta nel combustibile) e solleverebbe evidenti problemi di sicurezza nucleare, la tecnologia di base su cui tale approccio sarebbe contare su è stato in uso per decenni, rendendo questo forse il mezzo più affidabile per inviare energia soprattutto su distanze molto lunghe – in particolare, dal sistema solare interno al sistema solare esterno.
Materiali e produzione: i progetti tipici utilizzano il sistema di produzione industriale sviluppato esistente sulla Terra e utilizzano materiali basati sulla Terra sia per il satellite che per il propellente. Le varianti includono:
Materiali lunari: esistono dei disegni per i satelliti per energia solare che forniscono il> 99% dei materiali dalla regolite lunare con input molto piccoli di “vitamine” da altre posizioni. Usare materiali dalla Luna è interessante perché il lancio dalla Luna è in teoria molto meno complicato che dalla Terra. Non c’è atmosfera, quindi i componenti non devono essere imballati saldamente in un aerosol e sopravvivere a vibrazioni, carichi di pressione e di temperatura. Il lancio può avvenire tramite un macchinista magnetico e l’obbligo di utilizzare il propellente per il lancio interamente. Lanciare dalla Luna il GEO richiede anche molta meno energia rispetto al pozzo gravitazionale molto più profondo della Terra. Costruire tutti i satelliti dell’energia solare per fornire tutta l’energia necessaria per l’intero pianeta richiede meno di un milionesimo della massa della Luna.
Self-Replication on the Moon: la NASA ha esplorato una fabbrica auto-replicante sulla Luna nel 1980. Più recentemente, Justin Lewis-Webber ha proposto un metodo di produzione speci fi cata di elementi base basato sul design SPS-Alpha di John Mankins.
Materiali asteroidali: Si ritiene che alcuni asteroidi abbiano una Delta-V ancora più bassa per recuperare materiali rispetto alla Luna, e alcuni particolari materiali di interesse come i metalli possono essere più concentrati o più facilmente accessibili.
Produzione in-spazio / in-situ: con l’avvento della produzione additiva nello spazio, concetti come SpiderFab potrebbero consentire il lancio di massa di materie prime per l’estrusione locale.
Argomenti contrari
Sicurezza
L’uso della trasmissione a microonde di energia è stato il problema più controverso nel considerare qualsiasi progetto SPS. Sulla superficie terrestre, un raggio di microonde suggerito avrebbe un’intensità massima al centro, di 23 mW / cm2 (meno di 1/4 della costante di irraggiamento solare) e un’intensità inferiore a 1 mW / cm2 al di fuori della linea di demarcazione del rectenna ( il perimetro del ricevitore). Questi si confrontano con gli attuali limiti di esposizione sul luogo di lavoro negli Stati Uniti per la sicurezza e la salute sul lavoro (OSHA) per le microonde, che sono 10 mW / cm2, – il limite stesso è espresso in termini volontari e governato inapplicabile ai fini dell’esecuzione federale OSHA. Un raggio di questa intensità è quindi al centro di una grandezza simile agli attuali livelli di sicurezza sul luogo di lavoro, anche per un’esposizione a lungo termine o indefinita. Al di fuori del ricevitore, è molto inferiore ai livelli a lungo termine dell’OSHA Oltre il 95% dell’energia del raggio cade sul rectenna. L’energia a microonde rimanente sarà assorbita e dispersa bene all’interno degli standard attualmente imposti sulle emissioni di microonde in tutto il mondo. È importante per l’efficienza del sistema che la maggior parte della radiazione a microonde sia focalizzata sulla rectenna. Al di fuori del rectenna, le intensità delle microonde diminuiscono rapidamente, quindi le città vicine o altre attività umane dovrebbero essere completamente inalterate.
L’esposizione al raggio può essere ridotta al minimo in altri modi. Sul terreno, l’accesso fisico è controllabile (ad es. Via scherma), e gli aerei tipici che volano attraverso il raggio forniscono ai passeggeri un guscio protettivo di metallo (cioè una gabbia di Faraday), che intercetterà le microonde. Altri velivoli (palloni, ultraleggeri, ecc.) Possono evitare l’esposizione osservando gli spazi di controllo del volo aereo, come è attualmente fatto per lo spazio aereo militare o altro spazio aereo controllato. L’intensità del raggio delle microonde al livello del suolo al centro del raggio sarebbe progettata e fisicamente integrata nel sistema; semplicemente, il trasmettitore sarebbe troppo lontano e troppo piccolo per essere in grado di aumentare l’intensità a livelli non sicuri, anche in linea di principio.
Inoltre, un vincolo di progettazione è che il raggio a microonde non deve essere così intenso da ferire la fauna selvatica, in particolare gli uccelli. Esperimenti con irraggiamento intenzionale a microonde a livelli ragionevoli non hanno mostrato effetti negativi anche su più generazioni. Sono stati fatti suggerimenti per localizzare le rectenne al largo, ma questo presenta seri problemi, tra cui corrosione, stress meccanici e contaminazione biologica.
Un approccio comunemente proposto per garantire il raggio di sicurezza a prova di errore è quello di utilizzare un’antenna retrodirettiva a matrice di fase / rectenna. Un raggio di microonde “pilota” emesso dal centro del rectenna sul terreno stabilisce un fronte di fase sull’antenna trasmittente. Lì, i circuiti in ciascuna delle subarray dell’antenna confrontano il fronte di fase del raggio pilota con una fase di clock interna per controllare la fase del segnale in uscita. Questo forza il fascio trasmesso a essere centrato proprio sulla rectenna e ad avere un alto grado di uniformità di fase; se il raggio pilota viene perso per qualsiasi motivo (se l’antenna trasmittente viene allontanata dal rectenna, ad esempio), il valore di controllo di fase fallisce e il raggio di potenza a microonde viene automaticamente sfocato. Un tale sistema sarebbe fisicamente incapace di focalizzare il suo raggio di potenza ovunque che non avesse un trasmettitore a raggio pilota. Gli effetti a lungo termine del potere di irradiazione attraverso la ionosfera sotto forma di microonde devono ancora essere studiati, ma non è stato suggerito nulla che potrebbe portare a un effetto significativo.