(Da sinistra a destra) Sergio Pellegrino, Harry Atwater e Ali Hajimiri, i principali ricercatori dello House Photo voltaic Energy Undertaking. (Foto fornita da Caltech)
PASADENA A gennaio, un razzo SpaceX Falcon 9 ha preso vita con un ruggito, portando in orbita una dimostrazione di tecnologie, sviluppate al Caltech, che potrebbero fornire un progetto per una rivoluzione energetica, fornendo alla terra energia pulita dallo spazio.
Per combattere il cambiamento climatico, il governo degli Stati Uniti si è impegnato a rendere il suo settore energetico privo di inquinamento entro il 2035. Sfortunatamente, le attuali fonti di energia rinnovabile mancano di coerenza rispetto ai combustibili fossili. Le celle solari, in particolare, risentono dell’atmosfera, del tempo e delle ore notturne.
Una soluzione sfuggente, in fase di sviluppo da decenni, è chiamata energia solare spaziale, il processo di sfruttamento dell’energia solare nello spazio e di trasmissione dell’energia sulla terra utilizzando satelliti advert energia solare.
Dieci anni fa, Caltech ha formato lo House Photo voltaic Energy Undertaking, che è culminato nel traguardo del lancio del 3 gennaio. Settimane dopo, i suoi tre ricercatori principali stanno ancora riflettendo sul risultato, parlando con entusiasmo di come funziona. Sono fiduciosi per il futuro di una tecnologia una volta ritenuta tecnicamente possibile ma economicamente irrealizzabile.
Ciascuno è esperto in una disciplina parte integrante dell’energia solare spaziale: il Dr. Harry Atwater, Otis Sales space Management Chair della Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate, dirige la ricerca sul fotovoltaico del progetto, le celle solari che convertono la luce solare in elettricità. Il dottor Ali Hajimiri, professore di ingegneria elettrica e ingegneria medica a Bren, guida la tecnologia di trasferimento di energia wi-fi che trasmette l’energia raccolta sulla terra. E il Dr. Sergio Pellegrino, Joyce e Kent Kresa Professore di Aeronautica e Professore di Ingegneria Civile, è a capo della progettazione di veicoli spaziali leggeri che un giorno potrebbero portare la tecnologia in orbita.
Perché è importante e come funziona
Hajimiri ha illustrato alcuni dei vantaggi dell’energia solare spaziale.
Quando sei nello spazio, rispetto al fotovoltaico a terra, c’è da 8 a 9 volte più potenza a causa del fatto che non hai giorno e notte, non hai stagioni, non hai nuvole, ha spiegato.
Con i lanci di razzi che costano più dollari per grammo di carico, l’economia è rimasta un ostacolo all’energia solare spaziale. Il staff di Caltech ha adottato un nuovo approccio alla sfida con il suo progetto, riducendo la massa e l’impronta dei satelliti proposti.
Il staff del progetto ha progettato un sandwich piatto di componenti: una sottile cella fotovoltaica su un lato, un circuito stampato al centro e una serie di trasmettitori sull’altro lato, tutti flessibili. Questi panini sembrano grandi, fragili sottobicchieri di plastica. Combinati in pannelli, possono essere sospesi in veicoli spaziali sottili e flessibili, producendo satelliti leggeri e pieghevoli.
Mentre il dimostratore orbitante è solo una serie di esperimenti che testano tecnologie chiave, il staff spera un giorno di vedere migliaia di questi satelliti in orbita attorno alla terra.
Celle solari tremendous sottili
Atwater, che parla del suo lavoro con energia, con orgoglioso entusiasmo, progetta fotovoltaici ultraleggeri, riducendo al minimo il peso e massimizzando l’efficienza.
Il principio guida chiave è abbassare la massa in orbita, ha spiegato. Per una cella solare spaziale, ci sono due elementi massicci per una cella convenzionale. Uno è che hai la cella solare attiva che è spessa solo pochi micron e quindi è tipicamente su un wafer spesso un paio di centinaia di micron.
Inoltre c’è uno scudo contro le radiazioni, in genere un vetro di copertura da 75 a 100 micron, simile a una protezione per lo schermo di uno smartphone. (Maggiori informazioni sui micron di seguito.)
Il staff di Atwaters ha lanciato 32 celle solari all’avanguardia, prive di wafer e in grado di sopravvivere alle radiazioni senza il tradizionale vetro di copertura, perdendo massa costosa. Ha illustrato gli spessori del materiale. Un capello umano ha uno spessore di circa 50 micron. Rimuovendo wafer e coverglass, il fotovoltaico risultante misura circa 5-10 micron di spessore.
Trasferimento di potenza senza fili
Per riportare l’energia sulla terra è necessario convertirla in microonde che vengono trasmesse ai ricevitori a terra.
Hajimiri il cui entusiasmo per l’argomento è esemplificato dai suoi gesti illustrativi delle mani mentre descrive il suo lavoro e il suo staff testerà il trasferimento di energia wi-fi nello spazio; non così semplice come puntare le antenne sui ricevitori.
Dando voce a un video esplicativo sul sito del progetto, Hajimiri ha illustrato come il suo staff dirige le microonde utilizzando l’interferenza delle onde.
Se ti siedi accanto a uno stagno e metti entrambe le mani nell’acqua e crei delle onde allo stesso tempo, quello che probabilmente noterai è che ci sono aree in cui le onde sono molto più forti e ci sono alcune aree in cui ci sono pochissime onde, ha descritto.
Le onde più forti, sovrapposte e in fase sono dove le onde si sommano. La modifica della temporizzazione dei trasmettitori (in questo esempio, le mani in uno stagno) consente loro di essere guidati e focalizzati in un raggio.
Questa capacità di controllare le direzioni controllando i tempi, ha spiegato il Dr. Hajimiri, è molto critica, perché significa che non ci sono parti meccanicamente in movimento e quindi, può essere fatto sulla scala temporale dell’elettronica, alla scala dei nanosecondi.
L’esempio dello stagno descrive uno state of affairs semplificato con due trasmettitori. A fondo scala, il staff del Dr. Hajimiri avrebbe bisogno di calcolare la posizione e la tempistica in tempo reale per miliardi di trasmettitori.
Veicolo spaziale leggero
I pannelli solari saranno sospesi all’interno di veicoli spaziali leggeri a forma di cornici trapezoidali appiattite, lunghe decine di metri. Pellegrino, che ha il comportamento premuroso e preciso di un ingegnere, è incaricato di progettare veicoli spaziali che non richiedono assemblaggio dopo il lancio.
Il nostro concetto non richiede un assemblaggio robotico nello spazio, ha spiegato Pellegrino. È una serie di astronavi a volo libero e vengono dispiegate nello spazio individualmente, quindi viene creata una formazione.
Gli esperimenti del suo staff consistono in un modello in scala ridotta osservabile da telecamere e sensori a bordo del dimostratore.
Può essere appiattito e può essere piegato. Tutto ciò avviene elasticamente. Non abbiamo bisogno di cerniere meccaniche, ha spiegato.
Una volta che il dimostratore del veicolo spaziale sarà dispiegato nello spazio, il staff osserverà la struttura libera dalla gravità.
Il staff del progetto ha beneficiato di una collaborazione insolitamente a lungo termine.
È un progetto di 10 anni, quindi è piuttosto insolito nel mondo accademico che un ricercatore abbia la possibilità di lavorare intensamente su qualcosa per un decennio, ha sottolineato Atwater. Quindi ci sono stati diversi capitoli e sia nell’alimentazione wi-fi, nelle strutture ultraleggere e nel fotovoltaico abbiamo avuto various generazioni di sviluppo tecnologico, il che è piuttosto eccitante.
Non più fantascienza
Se l’energia solare spaziale suona come roba da fantascienza, è perché lo period.
La prima menzione pubblicata della tecnologia è stata nel racconto Cause, scritto dall’autore di fantascienza Isaac Asimov, nel 1941. Nella storia, un operatore di satelliti advert energia solare spiega: globi che capita di essere vicino a noi. Chiamiamo quel globo il sole
L’thought è stata formalizzata per la prima volta come fonte di energia scientificamente valida nel 1968, da Peter E. Glaser in un articolo intitolato Energy from the Solar: Its Future, pubblicato sulla rivista Science.
Dopo aver delineato le idee di base per l’energia solare spaziale, Glaser ha proposto che la tecnologia possa aiutare a condurre il mondo in un’period in cui un’abbondanza di energia potrebbe liberare l’uomo dalla sua dipendenza dal fuoco.
Il decennio successivo ha visto un costante interesse a livello globale nello sfruttare l’energia solare spaziale come una valida fonte di energia futura.
Sfortunatamente, i progressi sulla SSP negli Stati Uniti si sono fermati quando il finanziamento del governo per la ricerca sulla SSP è stato tagliato dopo che period stato ritenuto economicamente irrealizzabile.
I progressi sull’energia solare spaziale negli Stati Uniti si sono fermati quando i finanziamenti governativi per la sua ricerca sono stati tagliati dopo essere stati ritenuti economicamente irrealizzabili. Mentre altre nazioni hanno continuato a perseguire l’energia solare spaziale negli anni ’80, l’argomento period fuori dai limiti per i ricercatori negli Stati Uniti fino alla metà degli anni ’90.
L’ex ingegnere della NASA e appassionato di energia solare spaziale, John C. Mankins, autore di The Case For House Photo voltaic Energy, è stato introdotto per la prima volta all’argomento nel 1995 mentre lavorava per la NASA, a Washington DC. Il suo supervisore gli ha chiesto di rivisitare il concetto alla luce di decenni di progressi tecnologici. Mankins ha ricordato che il congelamento dei finanziamenti degli anni ’80 aveva lasciato un sottogruppo di ricercatori fortemente contrario alla tecnologia.
Quando è stato cancellato, le loro carriere sono state danneggiate e sono diventati oppositori accaniti dell’energia solare spaziale, ha ricordato Mankins. Quindi, quando partecipavi a questi incontri negli anni ’90, non potevi parlare dell’energia solare spaziale senza correre il rischio del ridicolo.
Negli anni ’90, il governo degli Stati Uniti ha ripreso a finanziare la ricerca sull’energia solare spaziale.
Atwater si è assicurato di riconoscere che il suo staff ha fatto affidamento su decenni di ricerca finanziata con fondi pubblici che hanno informato i loro sforzi.
Flashforward al 2013, quando dopo aver appreso della generazione di energia solare basata sullo spazio, il filantropo miliardario Donald Bren, presidente della Irvine Firm e membro a vita del Consiglio di fondazione del Caltech, e sua moglie Brigette, anche lei fiduciaria del Caltech, hanno accettato un 10- anno, impegno di $ 100 milioni per aiutare advert avviare il progetto.
Un aspetto unico del progetto Caltech è che la ricerca, lo sviluppo e l’esecuzione del dimostratore si basavano esclusivamente su finanziamenti privati.
È piuttosto straordinario, ha sottolineato Atwater, che si trattava di un progetto finanziato privatamente, che volava su un veicolo spaziale commerciale privato lanciato da un fornitore di lancio privato. Quindi è completamente diverso, sai, 20 anni fa sarebbe stato tutto governativo.
Per i ricercatori, la collaborazione a lungo termine è culminata nel momento esplosivo in cui il dimostratore è stato lanciato nello spazio il mese scorso.
Period una specie di estasi con tutti e tre, tutti e tre gli investigatori privati, io, Sergio e Ali eravamo tutti lì a tifare, ha detto Atwater. C’period una folla di persone che applaudiva quando la navicella si è schierata. Sembrava tutto molto reale.
Il dimostratore del progetto sta attualmente guidando un veicolo di trasferimento orbitale Momentus Vigoride, una sorta di scuolabus per veicoli spaziali che viaggia tra le orbite, lasciando cadere i satelliti nelle loro singole destinazioni. Il staff del Caltech attende con impazienza i dati che potrebbero aiutare a plasmare il futuro energetico della Terra.
