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Trasmettilo giù
Nello spazio esterno, il sole splende sempre brillantemente. Nessuna nuvola blocca i raggi solari e non c'è notte. I collettori solari montati su un satellite in orbita genererebbero così energia 24 ore al giorno, 365 giorni all'anno. Se questo potere potesse essere trasmesso alla terra, i problemi energetici del mondo potrebbero essere risolti per sempre.
I satelliti a energia solare (SPS) sono stati originariamente proposti come soluzione alle crisi petrolifere degli anni '70 dall'ingegnere ceco-americano Peter Glaser, poi alla Arthur D. Little. Glaser ha immaginato array di celle solari di 50 chilometri quadrati dispiegati su satelliti in orbita a 36.000 chilometri sopra punti fissi lungo l'equatore. Un satellite a quell'altitudine geosincrona impiega 24 ore per orbitare attorno alla terra e quindi rimane fisso sullo stesso punto sulla terra per tutto il tempo.
L'idea era elegante. Le celle fotovoltaiche su un satellite convertirebbero la luce solare in corrente elettrica, che a sua volta alimenterebbe un generatore di microonde a bordo. Il raggio di microonde viaggerebbe attraverso lo spazio e l'atmosfera. Sul terreno, una serie di antenne raddrizzatrici, o rectenna, raccoglierebbe queste microonde ed estraerebbe energia elettrica, sia per uso locale che per la distribuzione attraverso le reti elettriche convenzionali.
La tecnologia, come originariamente immaginata, poneva ostacoli tecnici scoraggianti. Il trasferimento efficiente di energia elettrica da un satellite in orbita geosincrona richiederebbe un'antenna trasmittente a bordo del satellite di circa un chilometro di diametro e un'antenna ricevente a terra di circa 10 chilometri di diametro. Un progetto di questa scala sbalordisce la mente; le agenzie di finanziamento del governo hanno evitato di investire somme immense in un progetto la cui fattibilità era così poco chiara. La NASA e il Dipartimento dell'Energia, che avevano sponsorizzato studi di progettazione preliminare, persero interesse alla fine degli anni '70.
Negli ultimi anni, tuttavia, l'industria delle comunicazioni ha annunciato progetti satellitari che suggeriscono che è giunto il momento di rivisitare l'idea del satellite a energia solare. All'inizio del prossimo secolo, sciami di satelliti per le comunicazioni orbiteranno intorno alla terra a bassa quota, trasmettendo voce, video e dati ai punti più remoti della terra. Questi satelliti trasmetteranno segnali di comunicazione a terra su raggi di microonde. La trasmissione di energia elettrica con un raggio di microonde è stata dimostrata già nel 1963 e la proiezione di potenza e dati lungo lo stesso raggio di microonde è ben all'interno dello stato dell'arte. Perché non utilizzare lo stesso raggio per trasportare l'energia elettrica?
I nuovi satelliti per le comunicazioni orbiteranno a un'altitudine di poche centinaia di miglia. Invece di librarsi sopra un punto sull'equatore, i satelliti in orbita bassa sfrecciano intorno al globo in appena 90 minuti, tracciando percorsi che oscillano attorno all'equatore, salendo e scendendo fino a 86 gradi di latitudine. Poiché sono più vicini alla superficie terrestre, i collettori solari sul satellite possono avere un diametro di poche centinaia di metri anziché di 10 chilometri. E poiché i raggi a microonde che generano si diffondono molto meno di quelli dei satelliti geosincroni, le rectenna al suolo potrebbero essere di conseguenza più piccole e anche meno costose. Utilizzando queste flotte di satelliti per comunicazioni e sfruttando i loro trasmettitori e ricevitori a microonde, stazioni di terra e sistemi di controllo, la tecnologia dell'energia solare può diventare economicamente sostenibile.
Tuttavia, l'orbita terrestre bassa pone le sue difficoltà. Poiché girano intorno al pianeta così rapidamente, i satelliti a bassa orbita devono possedere sofisticati sistemi controllati da computer per regolare la mira del raggio a microonde in modo che atterri alla stazione ricevente. Questi satelliti dovranno utilizzare sofisticati sistemi elettronici, chiamati phased array, per riorientare continuamente il raggio in uscita.
Energia per lo sviluppo
La domanda di energia solare spaziale potrebbe essere straordinaria. Entro il 2050, secondo alcune stime, 10 miliardi di persone abiteranno il globo, di cui oltre l'85% nei paesi in via di sviluppo. La grande domanda: come possiamo soddisfare al meglio il crescente fabbisogno energetico dell'umanità con il minor impatto negativo sull'ambiente?
Alla ricerca di un lancio economico
Una considerazione importante nella pianificazione del potere spaziale è la spesa per mettere in orbita un satellite. In questo momento, portare un oggetto nello spazio costa mille volte di più che farlo volare attraverso il paese con un aereo di linea commerciale, anche se i due lavori richiedono all'incirca la stessa quantità di energia, circa 10 chilowattora per chilogrammo di carico utile. Due fattori spiegano il costo aggiuntivo: l'esercito di ingegneri e scienziati necessari per un lancio spaziale di successo e la pratica di scartare gran parte del veicolo di lancio dopo ogni volo.
È probabile che i costi di lancio diminuiscano, tuttavia, poiché aumenta la domanda per il sollevamento regolare di grandi volumi di materiale nello spazio: più frequentemente viene utilizzato un sistema di lancio, minore è il costo per utilizzo. Inoltre, la NASA sta cercando una nuova generazione di veicoli di lancio riutilizzabili. L'agenzia ha recentemente sponsorizzato una competizione tra appaltatori aerospaziali per un veicolo spaziale con il potenziale per operazioni simili a quelle di una compagnia aerea. Il vincitore è stato Lockheed Martin Skunk Works, leggendari innovatori nella progettazione di aeromobili dall'U-2 al caccia Stealth. Lockheed Martin prevede di costruire e testare l'X-33 riutilizzabile a forma di cuneo da 1 miliardo di dollari, una versione di mezza dimensione e un ottavo di massa di un veicolo di lancio chiamato Venture Star che sostituirebbe lo space shuttle per il trasporto di merci in orbita bassa. Il costo di lancio dell'obiettivo è di $ 2.200 per chilogrammo, un decimo di quello di un lancio di una navetta. A quel prezzo, l'energia spaziale potrebbe diventare conveniente se i satelliti svolgessero il doppio compito di relè di comunicazione e fonti di energia solare.
Un satellite a energia solare dovrebbe restituire rapidamente l'energia necessaria per metterlo in orbita. Inizia con l'ipotesi prudente che la tecnologia satellitare a energia solare produrrebbe 0,1 kilowatt di elettricità a terra per chilogrammo di massa in orbita. In tal caso, il dispendio energetico di 10 chilowattora per chilogrammo per portare il satellite in orbita sarebbe ripagato in elettricità dopo solo 100 ore, meno di cinque giorni.
Un modo per contenere i costi di lancio è utilizzare una struttura gonfiabile come collettore solare. In questo modo si massimizzerebbe la superficie del collettore, importante per raccogliere la maggior quantità di energia solare, senza imporre un peso eccessivo al veicolo di lancio. I collettori solari sgonfiati potrebbero essere ripiegati in uno spazio compatto a bordo del veicolo spaziale; una volta in orbita, il gas di un contenitore pressurizzato gonfierebbe la struttura.
I palloncini nello spazio sono una vecchia storia. In effetti, il satellite vintage del 1960 noto come Echo I era un pallone utilizzato per far rimbalzare le onde radio sulla Terra. La NASA sta ora studiando la fattibilità di strutture gonfiabili nello spazio per antenne, ombrelloni e pannelli solari, anche se non esplicitamente per i sistemi satellitari a energia solare. Un'importante pietra miliare sperimentale è stata la distribuzione con successo da parte degli astronauti dello Space Shuttle Endeavour nel maggio 1996 dello Spartan Inflatable Antenna Experiment, un'antenna di 14 metri gonfiata da una bomboletta di azoto in orbita.
Non è un passo così grande da un simile esperimento a un satellite a raccolta solare che potrebbe essere assemblato in orbita da segmenti gonfiati. Se la NASA attribuisse la massima priorità alla ricerca sulle strutture spaziali gonfiabili, la base di conoscenza per realizzare satelliti economici a bassa massa potrebbe evolversi rapidamente.
Un passo alla volta
All'inizio, l'energia solare trasmessa dallo spazio sarebbe stata utilizzata solo per fornire la potenza elettrica minima necessaria per far funzionare l'elettronica della stazione ricevente a terra, proprio come la corrente di linea alimenta i telefoni convenzionali. Alla fine, i satelliti trasmetterebbero grandi quantità di energia, che potrebbero fornire i megawatt di elettricità che contribuirebbero in modo sostanziale ad alimentare un villaggio o persino una città.
Il ridimensionamento a livelli di potenza più elevati sarebbe semplice, comportando semplicemente lo spiegamento di una maggiore quantità di area di raccolta solare nello spazio. L'energia verrebbe trasmessa attraverso l'infrastruttura di trasmettitori e ricevitori che saranno poi predisposti per i sistemi di comunicazione satellitare. A questo proposito, la trasmissione a microonde presenta un deciso vantaggio rispetto ai tradizionali metodi via cavo di trasmissione della potenza. Un sistema a microonde che è efficiente all'80% nell'invio di 1 kilowatt sarà ancora efficiente all'80% nell'invio di 1 megawatt. Questo è fondamentalmente diverso da una linea di trasmissione di servizi elettrici, in cui sono necessari cavi più spessi e più costosi per trasportare più energia. Se viene immessa troppa potenza attraverso un cavo, l'isolamento si scioglierà.
Alcuni temono che una rete di satelliti a energia solare possa trasformare l'atmosfera in un grande forno a microonde, cucinando qualunque cosa si sposti nel percorso del raggio. In realtà, le intensità delle microonde che proponiamo sarebbero ordini di grandezza al di sotto della soglia alla quale gli oggetti iniziano a riscaldarsi. Le persone sarebbero esposte a livelli di microonde paragonabili a quelli dei forni a microonde e dei telefoni cellulari. Mentre alcuni critici ipotizzano che le microonde rappresentino minacce non termiche per la salute umana, non ci sono prove epidemiologiche affidabili per gli effetti negativi delle microonde a questi bassi livelli. Livelli più elevati di radiazioni a microonde si troverebbero alle rectennas su cui sono concentrati i raggi, ma recinzioni e segnali di avvertimento potrebbero delimitare queste aree di possibile pericolo. Ma secondo i nostri calcoli, le intensità delle microonde anche al perimetro della rectenna rientrerebbero nell'intervallo ora ritenuto sicuro dall'amministrazione per la sicurezza e la salute sul lavoro.
Un potenziale problema più grande è quello di condividere le frequenze limitate nello spettro delle microonde. Motorola è stata presa di mira, ad esempio, perché il suo sistema pianificato utilizzerà frequenze nell'intervallo da 1,616 a 1,626 gigahertz, che si sovrappone quasi alla frequenza di 1,612 gigahertz su cui si sintonizzano gli astrofisici quando raccolgono dati sul cosmo. I radioastronomi temono che l'interferenza di un satellite a energia solare possa sopraffare i segnali relativamente deboli che stanno cercando di rilevare. Motorola promette di limitare la diffusione dei suoi raggi di comunicazione nella nicchia delle frequenze dei radioastronomi, ma il problema sottolinea il fatto che lo spettro delle microonde è una risorsa limitata gelosamente custodita da utenti commerciali e non profit. L'allocazione dello spettro deve essere affrontata in modo tempestivo ed efficace per evitare la prelazione della tecnologia dell'energia spaziale prima che nasca.
Se i satelliti a energia solare diventeranno una realtà dipenderà in ultima analisi dalla volontà delle società di telecomunicazioni e di servizi elettrici di entrare nel settore dell'energia spaziale. Finora, nessuna delle due industrie ha mostrato molto interesse. Ma poi, sono per la maggior parte ignari delle possibilità commerciali. Bisogna sapere che esiste un'opzione per sceglierlo. Trent'anni fa, i satelliti per le comunicazioni erano una novità. Dieci anni fa nessuno aveva sentito parlare di Internet.
Quel che è certo è che l'attuale spinta alla deregolamentazione ha portato a una corsa da parte delle industrie delle telecomunicazioni, dei computer, della TV via cavo e dei servizi pubblici per entrare nei rispettivi mercati. Alcune aziende elettriche vogliono entrare nel settore delle telecomunicazioni per capitalizzare gli enormi investimenti in fili e cavi che raggiungono praticamente ogni edificio del paese. Ha lo stesso senso proporre che le società di comunicazione entrino nel business dell'energia. In pratica, i consorzi di aziende elettriche e di comunicazione potrebbero sviluppare insieme la tecnologia proposta.
Nessun singolo pezzo di questa tecnologia rappresenta un ostacolo fondamentale. La fisica delle celle fotovoltaiche e della generazione di microonde è ben compresa. Per passare alla fase successiva, tuttavia, sarà necessaria una dimostrazione che tutti i pezzi di questo sistema possono funzionare insieme: i pannelli solari, le antenne a microonde phased-array, le stazioni di ricezione che separano i segnali dati dai fasci di potenza e il computer che dicono ai satelliti dove a terra puntare i raggi. La NASA potrebbe accelerare enormemente questo sviluppo mettendo in orbita un prototipo di satellite a energia solare.
I vantaggi sono troppo grandi per essere allontanati. Una rete di satelliti a energia solare come quella che proponiamo potrebbe fornire alla terra dai 10 ai 30 trilioni di watt di energia elettrica, sufficienti a soddisfare i bisogni della razza umana nel prossimo secolo. I satelliti a energia solare offrono quindi una visione in cui la produzione di energia si sposta dalla superficie terrestre, consentendo a tutti di vivere su un pianeta più verde. Considera le implicazioni filosofiche: non è più necessario che l'umanità si veda intrappolata su un'astronave terrestre con risorse limitate. Potremmo sfruttare le risorse illimitate dello spazio, preservando il pianeta come una risorsa inestimabile di biodiversità.