24/04/2014 - A JAXA quer tornar realidade a ideia de ficção científica da energia solar espacial. Imagine olhar para a baía de Tóquio do alto e ver uma ilha artificial no porto, com 3 quilômetros de extensão. Uma rede enorme é esticada sobre a ilha e repleta de 5 bilhões de pequenas antenas retificadoras, que convertem energia de microondas em eletricidade de corrente contínua. Também na ilha há uma subestação que envia a eletricidade que flui através de um cabo submarino ...
para Tóquio, para ajudar a manter as fábricas da zona industrial de Keihin vibrando e as luzes de neon de Shibuya brilhando. Mas você nem consegue ver a parte mais interessante. Vários coletores solares gigantes em órbita geossíncrona estão lançando microondas para a ilha a 36.000 km acima da Terra. Ele tem sido objeto de muitos estudos anteriores e de ficção científica há décadas, mas a energia solar espacial pode finalmente se tornar realidade - e dentro de 25 anos, de acordo com uma proposta de pesquisadores da Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA). ) A agência, que lidera o mundo em pesquisas sobre sistemas de energia solar espaciais, agora possui um roteiro tecnológico que sugere uma série de demonstrações terrestres e orbitais que levam ao desenvolvimento, na década de 2030, de um sistema comercial de 1 gigawatt - quase o mesmo produção como uma usina nuclear típica.
É um plano ambicioso, com certeza. Mas uma combinação de fatores técnicos e sociais está dando dinheiro, especialmente no Japão. Na frente técnica, os recentes avanços na transmissão de energia sem fio permitem que as antenas em movimento se coordenem para enviar um feixe preciso através de grandes distâncias. Ao mesmo tempo, as crescentes preocupações do público sobre os efeitos climáticos dos gases de efeito estufa produzidos pela queima de combustíveis fósseis estão levando a uma busca por alternativas. As tecnologias de energia renovável para colher o sol e o vento estão melhorando constantemente, mas os parques eólicos e solares em larga escala ocupam grandes extensões de terra e fornecem apenas energia intermitente. Os coletores solares espaciais em órbita geossíncrona, por outro lado, poderiam gerar energia quase 24 horas por dia. O Japão tem um interesse particular em encontrar uma fonte prática de energia limpa: o acidente na usina nuclear de Fukushima Daiichi levou a uma busca exaustiva e sistemática por alternativas, mas o Japão carece de recursos de combustíveis fósseis e terrenos vazios adequados para instalações de energia renovável.
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Logo depois que os humanos inventamos células fotovoltaicas à base de silício para converter a luz solar diretamente em eletricidade, há mais de 60 anos, percebemos que o espaço seria o melhor lugar para realizar essa conversão. O conceito foi proposto formalmente pela primeira vez em 1968 pelo engenheiro aeroespacial americano Peter Glaser. Em um artigo seminal, ele reconheceu os desafios de construir, lançar e operar esses satélites, mas argumentou que a melhoria da energia fotovoltaica e o acesso mais fácil ao espaço logo os tornariam viáveis. Na década de 1970, a NASA e o Departamento de Energia dos EUA realizaram estudos sérios sobre energia solar espacial e, ao longo das décadas, foram propostos vários tipos de satélites de energia solar (SPSs). Nenhum desses satélites foi orbitado ainda por causa de preocupações com custos e viabilidade técnica. As tecnologias relevantes fizeram grandes avanços nos últimos anos, no entanto. É hora de dar uma nova olhada na energia solar espacial.
Um SPS comercial capaz de produzir 1 GW seria uma estrutura magnífica, com mais de 10.000 toneladas e medindo vários quilômetros de diâmetro. Para concluir e operar um sistema elétrico com base nesses satélites, teríamos de demonstrar o domínio de seis disciplinas diferentes: transmissão de energia sem fio, transporte espacial, construção de grandes estruturas em órbita, atitude e controle de órbita por satélite, geração de energia e gerenciamento de energia. Desses seis desafios, é a transmissão de energia sem fio que continua sendo a mais assustadora. Então é aí que a JAXA concentrou sua pesquisa.
A Agência de Exploração Aeroespacial do Japão está trabalhando em vários modelos de satélites coletores solares, que voariam em órbita geossíncrona 36.000 quilômetros acima de suas estações receptoras. Com o modelo básico [lado superior esquerdo], a eficiência do painel fotovoltaico diminuiria à medida que o mundo se afastava do sol. O modelo avançado [lado superior direito] apresentaria dois espelhos para refletir a luz do sol em dois painéis fotovoltaicos. Esse modelo seria mais difícil de construir, mas poderia gerar eletricidade continuamente. Em ambos os modelos, os painéis fotovoltaicos gerariam corrente DC, que seria convertida em microondas a bordo do satélite. Os muitos painéis de antena de transmissão de microondas do satélite receberiam um sinal piloto do solo, permitindo que cada painel de transmissão visasse separadamente seu pedaço de feixe de microondas na estação receptora muito abaixo. as microondas voltam à corrente contínua. Um conversor no local mudaria essa corrente para energia CA, que poderia ser alimentada na rede.
A transmissão de energia sem fio tem sido objeto de investigação desde os experimentos de Nikola Tesla, no final do século XIX. Tesla começou a construir uma torre de 57 metros em Long Island, em Nova York, em 1901, na esperança de usá-la para transmitir energia a alvos como aeronaves em movimento, mas seu financiamento foi cancelado antes que ele pudesse realizar seu sonho.
Enviar energia através de distâncias medidas em milímetros ou centímetros - por exemplo, para carregar uma escova de dentes elétrica de sua base ou um veículo elétrico de uma estrada - a indução eletromagnética funciona bem. Porém, a transmissão de energia por distâncias mais longas só pode ser realizada com eficiência convertendo a eletricidade em um raio laser ou de microondas.
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As principais vantagens e desvantagens do método a laser estão relacionadas ao seu comprimento de onda curto, que seria de cerca de 1 micrômetro para esta aplicação. Tais comprimentos de onda podem ser transmitidos e recebidos por componentes relativamente pequenos: a óptica de transmissão no espaço medirá cerca de 1 metro para uma instalação de 1 GW, e a estação receptora no solo teria várias centenas de metros de comprimento. No entanto, o laser de comprimento de onda curto costumava ser bloqueado pela atmosfera; moléculas de água nas nuvens absorveriam ou dispersariam o raio laser, assim como a luz solar. Ninguém quer um sistema de energia solar baseado no espaço que funcione apenas quando o céu está limpo.
Mas as microondas - por exemplo, aquelas com comprimentos de onda entre 5 e 10 centímetros - não teriam esses problemas na transmissão. As microondas também têm uma vantagem de eficiência para um sistema de energia solar baseado no espaço, onde a energia deve ser convertida duas vezes: primeiro da energia CC para microondas a bordo do satélite, depois das microondas para energia DC no solo. Em condições de laboratório, os pesquisadores alcançaram cerca de 80% de eficiência nessa conversão de energia nos dois lados. As empresas de eletrônicos agora estão se esforçando para atingir tais taxas em componentes comercialmente disponíveis, como em amplificadores de potência baseados em semicondutores de nitreto de gálio, que poderiam ser usados nos transmissores de microondas.
Na busca de um design ideal para o satélite, os pesquisadores da JAXA estão trabalhando em dois conceitos diferentes. No mais básico, um enorme painel quadrado (medindo 2 km por lado) seria coberto com elementos fotovoltaicos em sua superfície superior e antenas de transmissão em sua parte inferior. Esse painel seria suspenso por cabos de 10 km de comprimento de um pequeno ônibus, que abrigaria os controles e sistemas de comunicação do satélite.
Usando uma técnica chamada estabilização do gradiente de gravidade, o barramento atuaria como um contrapeso ao enorme painel. O painel, que estaria mais próximo da Terra, experimentaria mais força gravitacional em direção ao planeta e menos força centrífuga para longe dele, enquanto o ônibus seria puxado para cima pelos efeitos opostos. Esse equilíbrio de forças manteria o satélite em uma órbita estável, portanto não precisaria de nenhum sistema de controle de atitude ativo, economizando milhões de dólares em custos de combustível.
O problema com essa configuração básica do SPS é sua taxa inconstante de geração de energia. Como a orientação do painel fotovoltaico é fixa, a quantidade de luz solar que a atinge varia muito conforme o satélite geossíncrono e a Terra giram.
Então, a JAXA criou um conceito SPS mais avançado que resolve o problema de coleta solar, empregando dois espelhos refletivos enormes. Eles seriam posicionados de modo que, entre os dois, eles direcionassem a luz para dois painéis fotovoltaicos 24 horas por dia. Os dois espelhos estariam voando livremente, não amarrados aos painéis solares ou à unidade de transmissão separada, o que significa que teríamos que dominar um tipo sofisticado de formação em vôo para implementar esse sistema. As agências espaciais têm alguma experiência com o voo de formação, principalmente nas manobras de ancoragem realizadas na Estação Espacial Internacional, mas coordenar um voo de formação envolvendo estruturas em escala de quilômetros é um grande passo dos procedimentos de ancoragem de hoje.
Também teríamos que fazer várias outras descobertas antes que esse tipo avançado de SPS pudesse ser construído. Precisamos de materiais muito leves para as estruturas de espelho para permitir o voo de formação, bem como cabos de transmissão de energia de alta tensão que possam canalizar a energia dos painéis solares para a unidade de transmissão com perdas resistivas mínimas. Tais tecnologias levariam anos para serem desenvolvidas; portanto, se um ou mais países embarcarem em um projeto de longo prazo para explorar a energia solar espacial, eles poderão empregar um programa de duas fases que começa com o modelo básico enquanto os pesquisadores trabalham nas tecnologias. isso permitirá sistemas de próxima geração.
Para gerar as microondas, os pesquisadores propuseram tubos de vácuo, como magnetrons, klystrons ou tubos de ondas viajantes, porque sua eficiência de conversão de energia é razoavelmente alta - normalmente 70% ou mais - e são relativamente baratos. Os amplificadores de semicondutores estão melhorando o tempo todo; suas eficiências estão subindo e seus custos estão diminuindo. O custo é importante aqui porque um SPS comercial de 1 GW precisaria incluir pelo menos 100 milhões de amplificadores de semicondutores de 10 watts.
Para escolher uma frequência de microondas para transmissão, temos que pesar vários fatores. As microondas de baixa frequência penetram bem na atmosfera, mas requerem antenas muito grandes, o que tornaria a construção e a manutenção mais complicadas. Frequências na faixa de 1 a 10 gigahertz oferecem o melhor compromisso entre o tamanho da antena e a atenuação atmosférica. Dentro desse intervalo, 2,45 e 5,8 GHz são os candidatos em potencial porque estão nas bandas reservadas para usos industriais, científicos e médicos. Desses, 5,8 GHz parece particularmente desejável porque as antenas de transmissão podem ser menores.
Criar um poderoso feixe de microondas é importante, é claro, mas o próximo passo é muito mais complicado: apontar o feixe precisamente para que ele percorra os 36.000 km para atingir as antenas retificadoras.
Considere que o sistema de transmissão por microondas seria composto por vários painéis de antena, cada um medindo talvez 5 metros de comprimento, que seriam cobertos por pequenas antenas: no total, mais de 1 bilhão de antenas provavelmente seriam instaladas em um único SPS. Coordenar as microondas geradas por esse vasto enxame de antenas não será fácil. Para produzir um único feixe com foco preciso, as fases das microondas enviadas de todos os painéis da antena devem ser sincronizadas. Isso seria difícil de gerenciar, pois esses painéis se moveriam um em relação ao outro.
Esse desafio de direcionar com precisão um feixe de uma fonte móvel é único e não foi resolvido pelas tecnologias de comunicação existentes. A viga deve ter muito pouca divergência para impedir que ela se espalhe por uma área muito grande. Para enviar energia na frequência de 5,8 GHz para uma antena retificadora, ou retena, com um diâmetro de 3 km, a divergência deve ser limitada a 100 microrradianos e o feixe deve ter uma precisão de 10 µrad.
A solução da JAXA envolve um sinal piloto que seria enviado da retena no chão. Como cada painel de antena individual no satélite recebia o sinal piloto, ele calculava as fases necessárias para suas microondas e os ajustava de acordo. A soma de todos esses ajustes é um feixe estreito que percorre a atmosfera e atinge a retena. Essas tecnologias de ajuste de fase, conhecidas como sistemas retrodirecionais, foram usadas em arranjos de antenas de pequena escala no espaço, mas seria necessário trabalho adicional antes que eles pudessem coordenar vários quilômetros de transmissores orbitais.
Quando o feixe atingir o local de recebimento, o restante do processo será relativamente fácil. Matrizes de retenas converteriam a energia de microondas em energia CC com uma eficiência superior a 80%. Em seguida, a energia CC seria convertida em CA e alimentada à rede elétrica.
Em 2008, no topo de uma montanha na ilha principal do Havaí, uma retena recebeu um feixe de microondas enviado das encostas de um vulcão na ilha de Maui, a cerca de 150 km de distância. Esse projeto de demonstração, liderado pelo ex-físico da NASA John Mankins e gravado para um programa no Discovery Channel, era modesto em suas ambições: apenas 20 W de energia foram gerados pelos painéis solares em Maui e irradiados pelo oceano. Essa configuração estava longe de ser ideal porque as fases das microondas foram perturbadas durante essa transmissão horizontal através da atmosfera densa. A maior parte da energia foi perdida na transmissão e menos de um microwatt foi recebido na Ilha Grande. Mas o experimento demonstrou o princípio geral para um público admirador. E vale lembrar que, em um sistema espacial, as microondas passariam por uma atmosfera densa apenas nos últimos quilômetros de sua jornada.
No Japão, agora estamos planejando uma série de manifestações para os próximos anos. Até o final deste ano, os pesquisadores esperam realizar um experimento no solo em que um feixe de centenas de watts será transmitido por cerca de 50 metros. Este projeto, financiado pela JAXA e Japan Space Systems, será a primeira demonstração mundial de transmissão de microondas de alta potência e longo alcance com a adição crítica de controle de feixe retrodiretor. O transmissor de micro-ondas consiste em quatro painéis individuais que podem se mover um em relação ao outro para simular o movimento da antena em órbita. Cada painel, medindo 0,6 metro por 0,6 metro, contém centenas de pequenas antenas de transmissão e de recepção para detectar o sinal piloto, bem como controladores de fase e sistemas de gerenciamento de energia. Cada painel transmitirá 400 W, de modo que o feixe total levará 1,6 kW; neste experimento em estágio inicial, esperamos que a retena tenha uma potência de 350 W.
Em seguida, os pesquisadores da JAXA esperam realizar o primeiro experimento de transmissão de energia por microondas no espaço, enviando vários quilowatts da baixa órbita terrestre para o solo. Esta etapa, proposta para 2018, deve testar o hardware: esperamos demonstrar o controle do feixe de microondas, avaliar a eficiência geral do sistema e verificar se o feixe de microondas não interfere na infraestrutura de comunicações existente. Também temos algumas ciências espaciais para conduzir. Queremos ter certeza de que o intenso feixe de microondas não seja distorcido ou absorvido pelo plasma da ionosfera, a camada da atmosfera superior que contém partículas eletricamente carregadas. Temos certeza de que o feixe não interage com esse plasma, mas nossa hipótese pode ser confirmada apenas no ambiente espacial.
Se tudo der certo com essas demonstrações iniciais de solo e espaço, as coisas realmente começarão a ficar interessantes. O roteiro de tecnologia da JAXA pede que o trabalho comece em uma demonstração de SPS de 100 kW por volta de 2020. Os engenheiros verificariam todas as tecnologias básicas necessárias para um sistema comercial de energia solar baseado em espaço durante esse estágio.
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Construir e orbitar uma usina de 2 megawatts e 200 MW, os próximos passos prováveis, exigiria um consórcio internacional, como os que financiam os gigantescos experimentos de física de partículas do mundo. Nesse cenário, uma organização global poderia começar a construção de um SPS comercial de 1 GW na década de 2030.
Seria difícil e caro, mas a recompensa seria imensa, e não apenas em termos econômicos. Ao longo da história da humanidade, a introdução de cada nova fonte de energia - começando com lenha e passando pelo carvão, petróleo, gás e energia nuclear - causou uma revolução em nosso modo de vida. Se a humanidade realmente abraçar a energia solar espacial, um anel de satélites em órbita poderia fornecer energia quase ilimitada, encerrando os maiores conflitos sobre os recursos energéticos da Terra. À medida que colocarmos mais máquinas da vida cotidiana no espaço, começaremos a criar uma civilização próspera e pacífica além da superfície da Terra.
Este artigo foi publicado originalmente como "Está sempre ensolarado no espaço".
Fonte: https://spectrum.ieee.org/