Pensa a ciò che sai sulle fonti pulite di energia. Qual è il più verde?
Idroelettrico, geotermico, eolico e solare probabilmente tutti vengono in mente. Per quanto rispettosi dell'ambiente, hanno tutti limiti significativi sulla quantità di energia che possono produrre e su dove possono essere utilizzati. Vale a dire, nonostante alcuni progressi davvero interessanti nel solare, i pannelli solari possono ancora generare energia solo quando il sole splende.
La soluzione, quindi, è ovvia. Vai dove il sole non tramonta mai: nello spazio.
Questa è la visione di scienziati, ricercatori e imprenditori sia qui negli Stati Uniti che in Giappone, Cina ed Europa. Sebbene il concetto sia stato battuto almeno dagli anni '70, è stato ripetutamente rivisitato e abbandonato perché portare tutte le parti lassù e le persone a metterle insieme erano incredibilmente costose. Solo con l'avvento di satelliti super piccoli, prodotti in serie e di missili riutilizzabili, alcuni iniziano a dare uno sguardo molto più duro a rendere lo spazio solare una realtà.
Ci sono dozzine su dozzine di idee su come costruire un sistema di raccolta solare basato sullo spazio, ma l'essenza di base va in questo modo: lanciare e assemblare roboticamente diverse centinaia o migliaia di moduli di dimensioni identiche in orbita geosincrona. Una parte comprende specchi per riflettere e concentrare la luce solare su pannelli solari che convertono l'energia in elettricità. I convertitori trasformano l'elettricità in microonde a bassa intensità trasmessi a grandi ricevitori circolari a terra. Quelle antenne riconvertono le microonde in elettricità, che può essere immessa nella rete esistente.
John Mankins, che ha trascorso 25 anni alla NASA e al Jet Propulsion Laboratory della Caltech, ha ricevuto finanziamenti dall'Institute of Advanced Concepts della NASA nel 2011 per perfezionare il suo concetto di centrale solare spaziale nello spazio. La tecnologia e l'ingegneria necessarie per rendere lo spazio solare una realtà esiste già, insiste, ma come con qualsiasi nuova idea costosa, si riduce a greenbacks e gosing.
"Non è come la fusione, non c'è nuova fisica coinvolta", afferma Mankins, riferendosi a ITER, la collaborazione di 35 nazioni per costruire un reattore a fusione in Francia. “Non c'è salsa segreta. È un ostacolo finanziario ottenere finanziamenti per sviluppare gli elementi e dimostrare la nuova architettura richiesta per farlo. ”
Mankins e altri stimano che il costo totale per lo sviluppo, la costruzione, il lancio e l'assemblaggio di tutti i componenti di una centrale solare spaziale è dell'ordine di $ 4 a $ 5 miliardi, una frazione del prezzo di $ 28 miliardi sulla diga delle Tre Gole della Cina. Mankins stima che un modello in scala funzionante con componenti di dimensioni standard potrebbe essere ottenuto per $ 100 milioni. In confronto, la centrale nucleare di Watts Bar recentemente completata dall'Autorità della Tennessee Valley ha impiegato 43 anni per essere costruita, dall'inizio alla fine della balbuzie, e costa $ 4, 7 miliardi.
Criticamente, ciò che i consumatori pagherebbero - il prezzo per chilowattora - deve trovarsi nello stesso campo di gioco delle fonti energetiche convenzionali prodotte con carbone, gas naturale e nucleare, che variano da 3 a 12 centesimi per chilowattora. L'energia idroelettrica può essere incredibilmente economica, a meno di un centesimo per chilowattora - ma solo se sei abbastanza fortunato da vivere in una regione con abbondanti fiumi ad alto flusso, come in alcune parti del Canada e del Wisconsin. Anche la geotermia è molto economica, facendo il check-in a 3 centesimi per chilowattora, ma dovrai chiedere agli islandesi come apprezzano le loro bollette. E i sostenitori del vento hanno trombato la notizia l'anno scorso che i costi per quella risorsa rinnovabile sono precipitati a 2, 5 centesimi per chilowattora.
Ottenere il costo in basse cifre doppie o anche singole cifre di centesimi per chilowattora è assolutamente essenziale per rendere lo spazio solare un'utilità competitiva, afferma Gary Spirnak, CEO della società californiana Solaren.
La società Spirnak è stata approvata come fornitore di energia solare in California e ha avuto accordi di fornitura passati con Pacific Gas ed Electric, ma il suo modello di business è completamente basato sulla generazione di energia dal solare raccolto nello spazio. Solaren sta negoziando nuovi accordi con una o più utility. La società ha brevetti qui negli Stati Uniti per il suo design, nonché in Europa, Russia, Cina, Giappone e Canada, e si è assicurato un primo round di finanziamenti per una dimostrazione in laboratorio delle sue tecnologie di componenti nel prossimo anno. Spirnak spera di convincere gli investitori a supportare un impianto pilota da 250 megawatt entro la fine della fase di sviluppo e test, forse entro cinque anni.
Per il funzionamento dello spazio solare sono necessarie due strutture Keystone. In primo luogo, amplificatori di potenza a stato solido che convertono efficacemente l'elettricità dalla luce solare raccolta in onde a radiofrequenza e ricevitori sul terreno che riconvertono le onde RF in elettricità.
Paul Jaffe detiene il modulo di conversione "step" solare spaziale brevettato e da record del Naval Research Laboratory di fronte a una camera di prova del vuoto termico. (Paul Jaffe) 
Prototipo di spazio solare: questo modulo di conversione da luce solare a microonde per spazio solare è stato il primo ad essere testato in condizioni spaziali. La robotica spaziale verrebbe utilizzata per riunire migliaia di persone per creare il trasmettitore di un satellite solare spaziale. (Paul Jaffe) 
I prototipi del modulo di conversione solare spaziale NRL sono stati testati in questo vuoto termico e hanno simulato la funzione di test di illuminazione solare. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, un ingegnere del Naval Research Laboratory di Washington, DC, ha lavorato su due prototipi del modulo di raccolta, che definisce un "sandwich" poiché il collettore solare, il convertitore di potenza e l'emettitore RF sono tutti uniti in un piede -piastrelle quadrate di due pollici di spessore. Il peso di ogni singolo modulo determina in definitiva il prezzo dell'elettricità distribuita a terra; in termini di watt per chilogrammo lanciato, Jaffe afferma che il design di base delle piastrelle è arrivato a circa 6 watt per chilogrammo.
Tenendo conto di tale potenza, una durata di 20 anni della centrale solare, un costo di lancio di $ 2, 500 al chilo e diversi livelli di costo dei componenti stessi, Jaffe calcola che se la massa diminuisse e la potenza aumentasse a 500 watt al chilo, che corrisponde a un costo di 3 centesimi per chilowattora.
"Fare anche cose davvero semplici per ridurre la massa ci porta nella gamma di 100 watt per chilogrammo e 1.000 watt per chilogrammo non sono pazzi", dice. "Ottenete ottime efficienze con l'attuale tecnologia solare già disponibile in commercio e portiamo in giro questi convertitori RF molto efficienti e leggeri nelle nostre tasche ogni giorno."
I convertitori RF sono la vera ragione per cui i telefoni cellulari funzionano: i telefoni sono fondamentalmente walkie-talkie glorificati i cui segnali sono aiutati da una rete di stazioni di trasmissione del segnale. I convertitori nel telefono traducono le onde radio in dati che comprendiamo - audio - e viceversa. Questa tecnologia è fondamentale per la ricerca nello spazio solare a Caltech, in una collaborazione tra scienziati e ingegneri lì e Northrop Grumman.
Spirnak afferma che la principale spinta del lavoro di Solaren negli ultimi mesi è stata proprio questa: ridurre il peso dei loro moduli. Sebbene i razzi riutilizzabili abbatterebbero ulteriormente i costi di produzione complessivi, Spirnak non trattiene il respiro nel breve termine; sta pensando di usare veicoli convenzionali per sollevare i componenti di Solaren nello spazio.
"Abbiamo trascorso molto tempo a prendere peso senza pietà dal sistema", afferma Spirnak. "Siamo in grado di impacchettare singoli elementi di grandi dimensioni in singoli lanciatori, con alcune interessanti caratteristiche di origami", sebbene la consegna dell'intero sistema nello spazio richiederà comunque più lanciatori super pesanti.
Jaffe dice che la domanda più comune che si pone quando si parla di spazio solare non è se può o deve essere fatto, ma quanto sia pericoloso quel raggio di energia dallo spazio. Non saranno gli uccelli e gli aerei a friggere nel cielo quando passano attraverso il raggio?
"Se ti siedi fuori in un pomeriggio soleggiato per 15 minuti, non ti bruci", spiega. “Le nostre radio, TV e telefoni cellulari non ci stanno cucinando e tutti sono alle stesse frequenze di ciò che viene proposto. Esistono già limiti di sicurezza [sulle trasmissioni a microonde] stabiliti dall'IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers], quindi si progetta un sistema per assicurarsi che la potenza sia distribuita su una vasta area. Non si trasformerà accidentalmente in un raggio della morte. "
Per ottenere i migliori rapporti costo-peso, efficienze di scala e capacità di generazione elettrica comparabile di una centrale nucleare media (da 1 a 2 gigawatt), qualsiasi impianto di raccolta solare nello spazio dovrebbe avere un diametro di circa un chilometro.
I ricevitori di raccolta a terra dovrebbero essere di conseguenza di grandi dimensioni: affinché un impianto solare spaziale generi circa un gigawatt di energia, un collettore solare da un chilometro (0, 52 miglia) irradierebbe energia a un chilometro di larghezza 3, 5 (2 miglia ) ricevitore a terra. Ciò richiederebbe un'area di circa 900 acri. Paragonalo a quello del pannello solare Solar Star in California, attualmente il più grande impianto solare degli Stati Uniti, che occupa 3.200 acri.
La trasmissione di potenza in radiofrequenza presenta uno svantaggio significativo: le lunghezze d'onda "sicure" che non saranno neppure rifratte da qualcosa di così semplice come la pioggia sono già sovraffollate, ostruite da normali trasmissioni radio, nonché dall'uso militare, industriale e satellitare.
I critici dello spazio solare, tra i quali spicca Elon Musk di Tesla, affermano che non è possibile raggiungere efficienze su scala economica a causa di tutta la conversione e riconversione del potere necessario.
Ma Jaffe spera che la vecchia crepa sulla fusione non diventerà vera anche per lo spazio solare: "Sono passati 10 anni negli ultimi 60 anni", ride.
Mankins sottolinea che con la previsione della popolazione globale di esplodere a 11, 3 miliardi entro la fine del secolo, con quasi tutto ciò rappresentato nei paesi in via di sviluppo, lo spazio solare merita seri investimenti da parte di enti pubblici e partner privati. Dice che è necessaria un'abbondante energia pulita per soddisfare i bisogni umani di base, nonché affrontare la distruzione ambientale assicurata se tutta quell'energia proviene da fonti convenzionali.
"Se il mix di fonti energetiche non cambia radicalmente, non è possibile arrivare al carbon neutral", afferma Mankins. “Inoltre, non puoi dire a 800 milioni di persone in Cina che devono rimanere nella miseria. Non è necessario solo compensare l'uso di carbonio di oggi, ma guardare avanti a 70 anni e su come compenseremo tre volte l'uso di oggi. Abbiamo davvero bisogno di grandi soluzioni. "
