L’energia pulita che viene dallo spazio

Pensate, è oramai a un passo dall’essere possibile. Tirate su la levetta del quadro elettrico di casa, e quello si connette con un raggio di energia che proviene dal sole e che è stato rimbalzato da un satellite: senza costi, senza danni ecologici, senza fine. Una rete già esistente di satelliti è in grado di evitare che  ci siano blackouts. Quando il pianeta gira, ed è notte, le nostre case, i sistemi di trasporto e di riscaldamento usano l’elettricità stoccata durante il giorno. Niente cavi sotto terra, niente rifiuti da smaltire.

 

Senza energia, la vita sul pianeta è impossibile. Piante ed animali hanno sistemi complessi di trasformazione di sole e cibo in energia, senza i quali non possono esistere. L’umanità ha nel frattempo scoperto modi per usare un’energia di molto superiore a quella che può produrre un solo corpo umani. Le forme di energia e i metodi per utilizzarla hanno fatto molta strada: dall’utilizzo della forza muscolare dell’uomo stesso, e poi degli animali addomesticati, all’ottenimento di energia da varie fonti e alla gestione del flusso energetico. Il consumo energetico mondiale aumenta ogni anno, poiché i sistemi energetici sono il motore dello sviluppo sociale ed economico e l’energia è essenziale per tutti gli aspetti del benessere umano.

Ma se la curva di richiesta di energia continua a salire a livello impensabili già solo un quarto di secolo fa, avendo accettato che le risorse del nostro pianeta sono limitate e che i combustibili fossili si esauriranno presto, l’umanità sta sviluppando modi alternativi di generare energia utilizzando risorse energetiche rinnovabili come l’energia eolica, idrica, solare, geotermica e mareomotrice[1]. La produzione di energia è al centro del problema climatico globale, in quanto la maggior parte dei gas serra è generata dalla combustione di combustibili fossili. Il carbone, il petrolio e il gas sono i maggiori responsabili del cambiamento climatico globale, essendo responsabili del 75% delle emissioni globali di gas serra e di quasi il 90% di tutte le emissioni di anidride carbonica[2]. Ma ci troviamo tra l’incudine e il martello: abbiamo bisogno di sempre più energia, e dobbiamo smettere di usare quella che avvelena l’ecosistema, altrimenti cancelleremo ben presto la vita dal pianeta.

L’energia del sole

L’energia solare è utilizzata da molto tempo e ovunque, e i pannelli solari sono da tempo di uso comune. Ma questa tecnologia non è perfetta. Oltre al costo elevato dei componenti, alla complessità dell’installazione e alla bassa densità di potenza, il problema maggiore è rappresentato dall’atmosfera terrestre, poiché le molecole della nostra atmosfera disperdono circa la metà della luce solare. Inoltre, a causa delle condizioni meteorologiche variabili, e della conseguente variabilità dei raggi solari, questo tipo di energia raramente funge da fonte permanente[4]. Ma che ne dite se si va a prendere quell’energia oltre l’atmosfera? L’energia solare spaziale permette di sfruttare le riserve di energia del sole, virtualmente illimitate nello spazio, dove è costantemente disponibile e indipendente dai cicli diurni e notturni, dalle stagioni e dalle condizioni meteorologiche, aumentando potenzialmente l’efficienza di un fattore otto rispetto ai pannelli solari presenti sulla superficie terrestre[5].

Il California Institute of Technology ha lanciato lo Space Solar Power Project (SSPP), che mira a raccogliere l’energia solare nello spazio e a trasmetterla alla superficie terrestre. Nell’ambito di questo progetto, l’esperimento pionieristico MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment), poche settimane fa ha dimostrato per la prima volta che la trasmissione wireless di energia solare dallo spazio alla Terra è possibile con la tecnologia che già abbiamo a disposizione. Lo Space Solar Power è una soluzione rivoluzionaria in grado di sfruttare l’energia solare illimitata attraverso i satelliti solari[6].

SSPD-1, lo Space Solar Power Demonstrator, è stato il primo prototipo spaziale di questo progetto. Si tratta di un progetto complesso e innovativo che comprende tre esperimenti: MAPLE, DOLCE e ALBA. MAPLE (Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment) si concentra sulla trasmissione wireless di energia, mentre DOLCE mira a dimostrare l’architettura e i meccanismi di dispiegamento di veicoli spaziali modulari: una struttura di materiale composito ultraleggero che si dispiega in modo simile a una vela di 2 metri di diametro. Sebbene la vela non contenga celle solari, il suo scopo è quello di testare il dispiegamento sottile, flessibile e di grandi dimensioni che sarà necessario per costruire una futura centrale elettrica[7]. E ALBA – progettato per valutare l’efficacia di varie celle fotovoltaiche in condizioni spaziali difficili, sta testando 32 campioni di celle solari[8]. Un ulteriore quarto componente dell’SSPD è l’unità elettronica, che comunica con il computer del veicolo spaziale e monitora e controlla i tre esperimenti.[9]

Un dimostratore spaziale di energia solare di 50 chilogrammi è stato lanciato nello spazio nel gennaio di quest’anno dalla navicella Momentus Vigoride, installata a bordo di un razzo SpaceX come parte della missione Transporter-6. Una volta in orbita, ha dispiegato pannelli fotovoltaici sperimentali progettati per raccogliere l’energia solare nel vuoto[10]. MAPLE è dotato di un trasmettitore a microonde, che a sua volta è un sistema di 32 antenne raggruppate in gruppi di 16. Ogni gruppo è controllato da un singolo chip di circuito integrato flessibile e personalizzato, realizzato con tecnologia al silicio a basso costo. A una distanza di circa 30 cm dal trasmettitore si trovano 2 ricevitori, chiamati array, che sono sistemi indipendenti di ricevitori di segnali.

L’energia solare raccolta dalle celle fotovoltaiche viene trasformata in onde elettriche dal trasmettitore e trasmessa ai ricevitori di segnale, che a loro volta convertono le microonde in corrente elettrica continua e la lanciano con precisione millimetrica in siti di stoccaggio sulla terra[12]. Questo principio di trasmissione di energia senza fili attraverso lo spazio si basa su un fenomeno quantistico chiamato “interferenza”.

Questa interferenza si osserva quando due o più onde si sovrappongono. A seconda della relazione di fase tra le onde, queste possono amplificarsi (interferenza costruttiva) o indebolirsi (interferenza distruttiva). Quando due onde si incontrano in fase, le loro ampiezze si sommano e si verifica un’interferenza costruttiva. In questo caso, si osserva un’amplificazione delle onde e le aree in cui le ampiezze si sommano sono chiamate massimi di interferenza[13].

In parole povere, questo effetto può essere osservato se si creano delle onde con le mani immerse nell’acqua: ci sono zone in cui l’onda è più forte, e zone in cui l’onda diverge. Tuttavia, se immaginiamo che ci siano due o più sorgenti e che queste creino onde in modo coordinato, cioè simultaneamente e nella stessa direzione, con la stessa fase, allora le onde si concentreranno in una direzione e si compenseranno in tutte le altre direzioni e il loro picco al loro incontro creerà un picco di maggiore altezza. Questo fenomeno permette di realizzare il principio della “lente d’ingrandimento”, in cui il flusso di energia proveniente da più fonti può essere concentrato e coordinato nella direzione desiderata[14]. Dal sole direttamente nelle nostre cucine.

Utilizzando questo principio, gli scienziati del California Institute of Technology hanno dimostrato l’efficienza della trasmissione di energia da un trasmettitore di microonde a ciascuno dei due ricevitori, cambiando la messa a fuoco e la direzione dell’energia emessa. L’array di trasmettitori utilizza precisi controlli di temporizzazione per focalizzare in modo dinamico e selettivo l’energia nel punto giusto, aggiungendo onde elettromagnetiche. Ciò consente di trasmettere la maggior parte dell’energia concentrata nella direzione prescelta sulla terra, senza che l’atmosfera crei disturbo.

Controllando con precisione la tempistica di questo processo, la direzione dell’energia può essere regolata molto rapidamente (nanosecondi) e l’energia può essere reindirizzata verso ricevitori spaziali o anche verso ricevitori sulla Terra. Insieme, questo permette di indirizzare l’energia nel posto giusto e in nessun altro, senza bisogno di parti meccaniche in movimento[15]. Due array di ricevitori hanno convertito l’energia solare in corrente continua, che è stata utilizzata per alimentare una coppia di luci LED, dimostrando la sequenza completa di trasferimento di energia wireless. MAPLE lo ha dimostrato con successo accendendo ogni singolo LED e passando da uno all’altro[16].

Questo dimostra non solo la possibilità di trasmettere l’energia solare dall’orbita alla Terra, ma anche di trasmetterla tra veicoli spaziali[18]. Inoltre, l’esperimento, non sigillato, si è svolto in condizioni spaziali difficili, tra cui fluttuazioni di temperatura, radiazioni solari e irraggiamento, dimostrando la robustezza del sistema e la sua capacità di funzionare in tali condizioni.

MAPLE ha anche una piccola finestra attraverso la quale il prototipo può trasmettere energia. La trasmissione di energia è stata rilevata da un ricevitore sul tetto del Gordon and Betty Moore Engineering Laboratory nel campus del California Institute of Technology di Pasadena il 22 maggio 2023. Il segnale ricevuto è apparso all’ora e alla frequenza previste, come previsto in base al suo viaggio dall’orbita[19]. Purtroppo non sono stati pubblicati i dati sulla potenza trasmessa dallo spazio alla Terra[20].

L’intero array flessibile MAPLE, così come i suoi principali chip elettronici di trasmissione di energia senza fili e gli elementi di trasmissione, sono stati progettati appositamente per questo progetto[21]. Secondo gli scienziati, gli array di trasmissione di potenza dovrebbero essere il più leggeri possibile per ridurre al minimo la quantità di carburante necessaria per inviarli nello spazio, flessibili in modo da poter essere ripiegati in un pacchetto che possa essere trasportato in un razzo e poi dispiegato con successo, e in generale dovrebbero essere una tecnologia a basso costo[22]. L’intera serie di tre prototipi all’interno dell’SSPD è stata concepita, progettata, costruita e testata da un team di circa 35 persone[23].

Prospettive per una tecnologia rivoluzionaria

Così come Internet ha reso le informazioni disponibili a tutti, speriamo che la trasmissione di energia senza fili semplifichi l’accesso all’energia”, ha dichiarato Ali Hajimiri, responsabile del progetto Space Solar Power Project (SSPP). “Non c’è bisogno di alcuna infrastruttura per trasportare questa energia sulla Terra. Questo significa che possiamo inviare energia a regioni remote e ad aree devastate da guerre o disastri naturali”. [25]

Nonostante la debolezza del segnale trasmesso, che era di soli 200 milliwatt (meno della luce di una fotocamera del telefono)[26], questo è stato sufficiente per dimostrare ciò che il sistema potrebbe performare se prodotto su scala industriale[27]. Il team di sviluppo sta attualmente valutando e analizzando i singoli componenti di MAPLE, un processo che potrebbe durare fino a sei mesi e fornire una buona base per evitare le insidie dell’implementazione di un sistema energetico spaziale su larga scala in futuro. Si prevede che l’SSPP consisterà in una costellazione di veicoli spaziali modulari che utilizzano pannelli solari simili a vele[28] , in grado di raccogliere la luce solare nello spazio e, convertendola in elettricità, di emetterla sotto forma di microonde a grandi distanze[29].

In teoria, l’energia spaziale esiste già dagli anni ’70 e molti Paesi sono impegnati in una “corsa” all’energia solare pulita. Un gruppo di scienziati dell’Università di Kyoto, in collaborazione con l’agenzia spaziale giapponese JAXA, intende condurre un esperimento per trasmettere efficacemente l’energia dallo spazio alla Terra intorno al 2025. Il piano non prevede che gli scienziati dimostrino che il trasferimento è possibile dal punto di vista scientifico, ma che lo mettano in pratica. Per farlo, lanceranno piccoli satelliti per inviare l’energia solare alle stazioni di ricezione a terra[30]. Il successo di un simile progetto è importante per la Cina nel contesto del prestigio internazionale nel campo dell’energia spaziale e della conseguente possibilità di cooperazione con altri Stati[31]. Anche la start-up Virtus Solis Technologies[32] sta lavorando alla trasmissione di energia e prevede di lanciare in orbita un impianto pilota nel 2026, con l’intenzione di offrire energia commerciale ai clienti entro la fine del decennio[33].

Un enorme incentivo allo sviluppo dell’energia spaziale nell’Unione Europea è l’obiettivo 2050 Net Zero, una strategia nazionale a lungo termine volta a creare un’economia a zero emissioni di gas serra con l’obiettivo di mantenere l’aumento della temperatura globale ben al di sotto dei 2°[34]. L’Agenzia Spaziale Europea si sta impegnando per trovare finanziamenti[35] per dimostrare che un sistema satellitare a energia solare è commercialmente fattibile[36]. Basterebbe la registrazione di un brevetto abbastanza sofisticato e funzionale per scatenare l’entusiasmo delle autorità di Bruxelles, così sotto pressione a causa della guerra in Ucraina.

Non è così semplice

Secondo il Gruppo di esperti delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici, il mondo è attualmente avviato a riscaldarsi di 2,5 gradi Celsius entro la fine del secolo, ovvero 1 grado Celsius al di sopra della soglia che la comunità scientifica considera sicura per evitare conseguenze catastrofiche[38]. Per contenere il riscaldamento, l’economia globale dovrà ridurre le proprie emissioni di gas serra del 45% entro il 2030, il che significa che molte tecnologie che consumano combustibili fossili dovranno essere gradualmente eliminate in un periodo di tempo molto breve. In questo contesto, la ricerca di fonti energetiche alternative affidabili diventa imperativa e gli scienziati prevedono che l’energia solare dominerà il panorama energetico del futuro.

Non ci sono difficoltà scientifiche da risolvere nel processo di “estrazione” dell’energia spaziale; le basi teoriche sono state elaborate e la fisica alla base dei processi è stata dimostrata. L’esperimento MAPLE ha dimostrato che il trasferimento di energia a distanza è possibile sia nello spazio che dall’orbita alla Terra. La questione riguarda piuttosto la scala del trasferimento di energia, che è direttamente correlata al livello di preparazione tecnologica della singola industria che riceve[39].

Inoltre, l’energia spaziale richiede un enorme investimento finanziario: il progetto del California Institute of Technology è costato più di 112 milioni di dollari[40]. Con costi energetici globali che ammontano a trilioni di euro, si stima che il primo satellite a energia solare da un gigawatt costerà circa 20 miliardi di euro, paragonabile alla costruzione di una nuova centrale nucleare. Ma grazie alla produzione di massa e alle economie di scala, i satelliti successivi potrebbero ridurre significativamente i costi di costruzione e di esercizio. Di conseguenza, il costo della generazione di un livello di base di elettricità dai satelliti sarebbe più della metà di quello delle centrali nucleari e circa uguale a quello delle grandi centrali solari a terra[41]. Ma nel contesto dell’energia spaziale, si tratta di un investimento nel futuro senza alternative soddisfacenti.

Data l’enorme capacità di potenza dell’energia solare, paragonabile a quella delle centrali nucleari, a parte la questione della raccolta e della trasmissione dell’energia, il problema dell’immagazzinamento dell’energia rimane irrisolto. In questo contesto, la domanda diventa: cosa ci aspettiamo dall’energia cosmica in futuro: un’alternativa di riserva o la principale fonte di energia per il nostro pianeta?

Per il momento, una missione per estrarre energia dallo spazio ha il nobile scopo di fornire energia a zone remote e inaccessibili, dove la connessione alle reti energetiche tradizionali può essere difficile o impossibile. Ciò può essere particolarmente utile per i Paesi in via di sviluppo e le aree remote, nonché per le zone soggette a distruzione. Lo spazio è per tutti, il sole è per tutti, ma nel futuro dello sviluppo dell’energia spaziale la questione della regolamentazione legale e della distribuzione di questa risorsa, così come la questione della sicurezza, potrebbe diventare acuta.

Sebbene la transizione verso le energie rinnovabili sia fondamentale per il futuro del mondo e il concetto di energia solare spaziale sia molto eccitante e promettente, è importante mantenere un sano scetticismo al riguardo. Come per tutti i progressi scientifici, il vero potenziale di questa tecnologia si rivelerà solo con l’ulteriore sviluppo e la sperimentazione[42]. In ogni caso, la tecnologia dimostrata dal team del California Institute of Technology rappresenta un’importante pietra miliare e apre la strada a sistemi spaziali più avanzati. E poi vedremo!

[1] https://trends.rbc.ru/trends/green/609e76449a7947f4755ac9dc
[2] https://www.un.org/en/climatechange/raising-ambition/renewable-energy
[3] https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..latest
[4] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs
[5] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space
[6] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/
[7] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration
[8] https://www.intelligentliving.co/space-based-solar-energy-caltechs-sspd-1-successfully-demonstrates-wireless-power-transmission/
[9] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/
[10] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064
[11] https://www.pasadenastarnews.com/2023/06/07/caltech-researchers-show-power-can-be-wirelessly-transmitted-in-space-the-implications-are-huge/
[12] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration
[13] https://portal.tpu.ru/SHARED/t/TVERD/Education/Phys3/lecture7_part3_tverd.pdf
[14] https://www.youtube.com/watch?v=w5SBF48WqV4
[15] https://www.space.com/space-solar-power-satellite-beams-energy-1st-time
[16] https://www.sciencealert.com/scientists-beam-solar-power-from-space-to-earth-in-world-first
[17] https://www.nextbigfuture.com/2023/06/caltech-demonstrates-space-based-solar.html
[18] https://universemagazine.com/ru/uchenye-vpervye-peredali-na-zemlyu-energiyu-iz-kosmosa/
[19] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space
[20] https://www.ixbt.com/news/2023/06/04/uchjonym-iz-ssha-vpervye-v-istorii-udalos-peredat-jenergiju-iz-kosmosa-na-zemlju.html
[21]  https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/
[22] https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space
[23] https://knowridge.com/2023/01/caltech-will-launch-space-solar-power-technology-demo-into-orbit/
[24] https://www.bbc.com/russian/news-63715834
[25] https://focus.ua/digital/570487-uchenye-peredali-solnechnuyu-energiyu-iz-kosmosa-na-zemlyu-kak-im-eto-udalos-video
[26] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration
[27] https://24tv.ua/tech/ru/osushhestvlena-pervaja-uspeshnaja-peredacha-solnechnoj-jenergii-iz-kosmosa-na-zemlju-tehno_n2328064
[28] https://www.techspot.com/news/98997-caltech-researchers-demonstrate-wireless-solar-power-transmission-space.html
[29] https://www.space.com/space-solar-power-satellite-beams-energy-1st-time
[30] https://focus.ua/digital/569432-energiyu-solnca-budut-sobirat-v-kosmose-i-otpravlyat-na-zemlyu-kak-eto-vozmozhno
[31] https://asia.nikkei.com/Business/Science/Japan-to-try-beaming-solar-power-from-space-in-mid-decade
[32] https://virtussolis.space/
[33] https://www.science.org/content/article/satellite-beams-solar-power-down-earth-first-kind-demonstration
[34] https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2050-long-term-strategy_en#national-strategies
[35] https://www.bbc.com/russian/news-63715834
[36] https://www.theguardian.com/science/2022/oct/09/beam-me-down-can-solar-power-from-space-help-solve-our-energy-needs
[37] https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-11914637/How-giant-hole-sun-wreak-HAVOC-Earth.html
[38] https://unfccc.int/news/cop27-reaches-breakthrough-agreement-on-new-loss-and-damage-fund-for-vulnerable-countries
[39] https://www.space.com/space-solar-power-pros-cons
[40] https://habr.com/ru/articles/740030/
[41] https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/SOLARIS/SBSP_in_support_of_Net_Zero
[42] https://www.electropages.com/blog/2023/06/space-based-solar-power-game-changer-or-just-hype