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May 21, 2023

Los científicos se acercan a aprovechar la energía solar del espacio

La noche del 22 de mayo, un grupo de investigadores y estudiantes se reunió en torno a una

En la noche del 22 de mayo, un grupo de investigadores y estudiantes se reunieron alrededor de un monitor de computadora en el techo del departamento de ingeniería eléctrica de Caltech. Los monitores estaban conectados a equipos diseñados para detectar la radiación de microondas recibida de un satélite en el espacio. Y a unas 300 millas por encima de ellos, muy por encima de la espesa capa de nubes de la noche, ese satélite estaba a punto de pasar por encima, equipado como banco de pruebas para las tecnologías que habían desarrollado para recolectar energía solar en el espacio y proyectarla hacia la Tierra.

Los investigadores no esperaban mucho. Ya habían logrado su objetivo principal en marzo: usar radiación de microondas para proyectar electricidad a través de un espacio de unas pocas pulgadas para encender un par de LED a bordo de la nave espacial para probar si su sistema de transferencia de energía, esencial para que algún día se apague la energía solar. a la Tierra, aguantaría en el duro entorno del espacio. Había mucha incertidumbre sobre si podrían llevar una pequeña cantidad de energía medible a la Tierra en su primer intento. Aun así, se quedaron en silencio a medida que se acercaba la hora del paso del satélite sobre sus cabezas. A las 9:57 p. m., los monitores comenzaron a mostrar que la radiación de fondo que captaban los receptores se fusionaba en otra cosa: una señal eléctrica que coincidía con la que estaba proyectando su satélite. Habían detectado con éxito la energía de microondas que su novedoso sistema de transferencia de energía dirigía hacia la Tierra. "Me tomó unos minutos asimilarlo", dice Ali Hajimiri, profesor de ingeniería eléctrica en Caltech. "Entonces todos se emocionaron mucho".

Hajimiri lidera un componente de un esfuerzo más grande de los investigadores de Caltech para desarrollar tecnología que podría reunir la energía del sol en satélites masivos que orbitan la Tierra y transmitirla para alimentar la red. Es un concepto audaz, con beneficios que cambiarán el mundo si alguna vez se construyen tales plantas de energía solar en órbita. Los paneles solares en la Tierra solo funcionan durante el día y no producen mucha energía en los días nublados o cuando el sol está bajo por la tarde o temprano en la mañana. En órbita, sin embargo, tales paneles producirían un flujo constante de energía de cero emisiones. "En el espacio, siempre es mediodía en un día soleado", dice Hajimiri.

Es una idea que ha capturado la imaginación de escritores y futuristas durante décadas: la primera mención publicada del concepto probablemente se produjo en un cuento de 1941 del escritor Issac Asimov de I, Robot. Pero incluso cuando los satélites de comunicación, los alunizajes y las sondas a Marte se hicieron realidad, las estaciones de energía solar permanecieron en el ámbito de la ciencia ficción. Muchos componentes necesarios para un sistema de este tipo se desarrollaron a lo largo de los años, pero los problemas físicos de hacer despegar esa central eléctrica teórica eran más difíciles: cualquier sistema capaz de generar una cantidad útil de electricidad sería demasiado pesado para ponerlo en órbita. .

Pero los investigadores del Proyecto de energía solar espacial de Caltech dicen que los nuevos desarrollos tecnológicos, en particular el potencial de paneles solares flexibles y extremadamente livianos y sistemas de transferencia de energía livianos para reemplazar antenas voluminosas, han llevado la idea al ámbito de la realidad. El Demostrador de energía solar espacial de Caltech, lanzado en enero, incluye una variedad de diferentes tipos de paneles solares avanzados para probar cuál funcionará mejor para una estación de energía solar espacial, así como un sistema de prueba diseñado para desplegarse en un 6 por 6- pie estructura que podría usarse para sostener paneles solares, junto con el sistema de transferencia de energía de Hajimiri.

Caltech no es la única organización que se ha interesado en las estaciones de energía solar. El gobierno chino está planeando una misión en 2028 para demostrar la tecnología en órbita terrestre baja. Y en noviembre pasado, los ministros de ciencia de la UE dieron luz verde a Solaris, un proyecto conjunto entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la compañía aeroespacial Airbus para estudiar la posibilidad de construir gigantescas estaciones de energía solar en órbita geoestacionaria sobre Europa. (Ya sea intencional o no, el vínculo con el mundo de la ciencia ficción de mediados de siglo permanece, y el proyecto comparte el título de la novela clásica de 1961 de Stanislaw Lem).

El Demostrador de Energía Solar Espacial de Caltech no es en realidad un prototipo de estación de energía. Más bien, es una colección de tres experimentos separados para probar componentes que eventualmente se integrarían en un sistema. Dos de los experimentos, el sistema de autoensamblaje y las pruebas solares, aún no han producido resultados. El componente de transferencia de energía funcionó enviando electricidad a unas pocas pulgadas. Cuando se dirige hacia la Tierra, distribuye la mayor parte de su potencia de salida en un área muy amplia, como se esperaba, y solo logra obtener una fracción extremadamente pequeña de su energía en el receptor (un sistema más grande podría enfocar la energía en un área mucho más pequeña). En un sentido fundamental, la forma en que funciona el sistema no es diferente de la forma típica en que los satélites se comunican con la Tierra al proyectar radiación de microondas que se convierte en energía eléctrica en un receptor. Pero el sistema de Hajimiri está diseñado de manera diferente, basado en un concepto que le permitiría escalar para concentrar grandes cantidades de energía en pequeños receptores basados ​​en la Tierra. Con más financiación e investigación, los ingenieros que trabajan en el proyecto son optimistas de que la tecnología podría llegar a la comercialización en las próximas décadas. En unos cinco años, creen que podrían construir un sistema que podría transferir suficiente energía solar para cargar una computadora portátil desde el espacio. A partir de ahí, se trata de ampliar aún más para construir una central eléctrica comercial de pleno derecho.

"Actualmente estamos construyendo cosas en los laboratorios de nuestra universidad, por lo que necesariamente somos de pequeña escala", dice Sergio Pellegrino, profesor de ingeniería aeroespacial y civil de Caltech que trabaja en el proyecto solar espacial. "Esta infraestructura va a ser muy grande, por lo que la transición a una instalación de producción industrial es clave para el siguiente paso.

"Se necesitan algunos años, con la cantidad adecuada de dinero", agrega. "No se necesitan muchos años".

Los investigadores de Caltech llegaron a estar en la misma liga que el gobierno chino y la ESA gracias al interés de un hombre. En 2011, Donald Bren, de 91 años, un multimillonario magnate inmobiliario de California y miembro vitalicio del consejo de administración de Caltech, leyó un artículo de Popular Science sobre la energía solar basada en el espacio. Intrigado por el potencial de la tecnología, comenzó a financiar un programa en Caltech para desarrollar la idea, y finalmente contribuyó con más de $100 millones de dólares.

Se incorporaron tres profesores de Caltech. Pellegrino investigó estructuras livianas y autoensamblables, algo que pudiera caber en un espacio pequeño en un cohete, pero luego desplegarse en órbita para absorber los rayos del sol. Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de los materiales, buscó encontrar los paneles solares adecuados para la central eléctrica. Los paneles solares tradicionales en los satélites usan vidrio para proteger los sistemas subyacentes, pero tal solución sería demasiado pesada para la estación de energía solar. "Hemos estado investigando cómo podemos hacer que las cosas sean intrínsecamente resistentes a la radiación y, por lo tanto, podríamos deshacernos de ese trozo de vidrio", dice Atwater.

Mientras tanto, Hajimiri encabezó la parte del proyecto que investiga la transferencia de energía. En el chat de video, muestra su solución, una hoja flexible cubierta con un patrón de cuadrícula. En lugar de apuntar una sola antena enorme a un objetivo, cada punto del sistema de cuadrícula de Hajimiri emite una pequeña cantidad de radiación de microondas. Las computadoras ajustan minuciosamente las frecuencias de la radiación superpuesta, creando una especie de efecto de lente usando interferencia constructiva y destructiva, como las ondas superpuestas en un estanque, para enfocar la energía en un punto particular. "Pasaste de un elefante gigante a un ejército de hormigas de estos transmisores individuales", dice Hajimiri.

Una central eléctrica que use dicha tecnología podría enviar electricidad a cualquier punto debajo de ella en la Tierra, podría cambiar las ubicaciones de transferencia casi instantáneamente o incluso dirigir la energía a múltiples ubicaciones a la vez. Abre la posibilidad de enviar fácilmente energía a los lugares del mundo que más la necesitan, o dirigir la energía a lugares específicos después de desastres naturales. Todo lo que tendrían que hacer los socorristas es desenrollar un receptor en el suelo para recibir un suministro constante de electricidad, incluso en días nublados o de noche.

Los nuevos resultados del experimento del lunes pasado han demostrado que la tecnología realmente podría funcionar desde el espacio. El siguiente paso es solucionar pequeñas irregularidades para mejorar la próxima generación del sistema de transmisión de energía, un proceso que puede llevar meses. Luego pasa a la tarea de integrar todos los componentes experimentales en un sistema más grande. "Si bien todavía hay obstáculos que superar para la transferencia de energía inalámbrica a gran escala de la energía solar espacial", dice Hajimiri, "esto nos acerca".

Corrección, 1 de junio

La versión original de esta historia tergiversó el nombre de un profesor de Caltech. Él es Harry Atwater, no Henry Atwater.

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