La idea de impulsar la civilización a partir de gigantescas plantas solares en órbita es más antigua que cualquier programa espacial, pero a pesar de siete décadas de ciencia espacial, el concepto de recolectar luz solar casi constante a decenas de miles de kilómetros sobre el ecuador y transmitirla a la Tierra en forma de microondas. y convertirla en electricidad—aún permanece tentadoramente en el horizonte. Varios análisis profundos publicados recientemente encargados por la NASA y la Agencia Espacial Europea han arrojado un jarro de agua fría sobre la esperanza de que la energía solar espacial pueda generar de manera asequible muchos gigavatios de energía limpia en un futuro próximo. Y, sin embargo, el sueño sigue vivo. El sueño logró una especie de despegue en enero de 2023. Fue entonces cuando SSPD-1, un satélite demostrador de energía espacial solar que transportaba un conjunto de nuevas tecnologías diseñadas en el Instituto de Tecnología de California, explotó a baja temperatura. Órbita terrestre para una misión de un año de duración. Consciente de las preocupaciones sobre la viabilidad técnica del ensamblaje robótico de satélites en el espacio, cada uno de un orden de magnitud mayor que la Estación Espacial Internacional, el equipo de Caltech ha estado analizando enfoques muy diferentes de la energía solar espacial. -1 lograda y cómo dará forma a los conceptos futuros para los satélites espaciales de energía solar, IEEE Spectrum habló con Ali Hajimiri, miembro del IEEE, profesor de ingeniería eléctrica en Caltech y codirector del proyecto de energía solar espacial de la escuela. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor extensión y claridad. SSPD-1 voló con varios bancos de pruebas diferentes. Comencemos con el banco de pruebas MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) para la transmisión de energía inalámbrica: cuando usted y su equipo subieron al techo de su edificio en el campus en mayo de 2023 y apuntaron sus antenas hacia donde estaba el satélite. Al pasar, ¿su equipo captó energía real transmitida hacia abajo o simplemente una señal de diagnóstico? Ali Hajimiri: Yo lo llamaría una detección. El objetivo principal del experimento MAPLE era demostrar la transferencia inalámbrica de energía en el espacio utilizando estructuras ligeras y flexibles y también circuitos integrados CMOS estándar. Por un lado están las antenas que transmiten la energía y por el otro lado están nuestros chips CMOS personalizados que forman parte de la electrónica de transferencia de energía. El objetivo de estas cosas es ser muy livianos, reducir el costo de lanzamiento al espacio y ser muy flexibles para el almacenamiento y el despliegue, porque queremos envolverlo y desenvolverlo como una vela. Ali Hajimiri es el codirector de Caltech. proyecto de energía solar basado en el espacio. Caltech Ya veo: envuélvalos para que quepan dentro de un cohete y luego desenvuélvalos y estírelos una vez que se lanzan a la órbita. Hajimiri: El objetivo principal de MAPLE era demostrar que estos conjuntos de aspecto endeble y circuitos integrados CMOS puede operar en el espacio. Y no sólo eso, sino que pueden dirigir la transferencia inalámbrica de energía a diferentes objetivos en el espacio, a diferentes receptores. Y por transferencia de energía me refiero a la potencia neta en el lado del receptor. Demostramos la transferencia de energía en el espacio e hicimos muchas mediciones. Estamos escribiendo los detalles ahora y publicaremos esos resultados. La segunda parte de este experimento, realmente un objetivo ambicioso, fue demostrar esa capacidad de apuntar el haz al lugar correcto de la Tierra y ver si obtuvimos los niveles de potencia esperados. . Ahora bien, cuanto más grande sea el conjunto de transmisión en el espacio, mayor será la capacidad de enfocar la energía en un punto más pequeño en el suelo. Correcto, porque la difracción del haz limita el tamaño del punto, en función del tamaño del transmisor y la Frecuencia de las microondas. Hajimiri: Sí. El conjunto que teníamos en el espacio para MAPLE era muy pequeño. Como resultado, el transmisor distribuyó la energía sobre un área muy grande. Así que capturamos una fracción muy pequeña de la energía; por eso lo llamo detección; no era poder positivo neto. Pero lo medimos. Queríamos ver: ¿obtenemos lo que predecimos a partir de nuestros cálculos? Y descubrimos que estaba en el rango correcto de niveles de potencia que esperábamos de un experimento como ese. Entonces, comparable en potencia a las señales que llegan en las operaciones de satélites de comunicación estándar. Hajimiri: Pero al usar este sistema flexible y liviano, eso es lo que lo hace mejor. Puede imaginarse el desarrollo de la próxima generación de satélites de comunicaciones o sensores espaciales construidos con estos para hacer que el sistema sea significativamente más barato, liviano y fácil de implementar. Los satélites que se utilizan ahora para Starlink y Kuiper funcionan muy bien, pero son voluminosos y pesados. Con esta tecnología de próxima generación, se podrían implementar cientos de ellas con un lanzamiento muy pequeño y mucho más económico. Podría conducir a una Internet mucho más eficaz en el cielo. Háblame de ALBA, el experimento de la misión que probó 32 tipos diferentes y novedosos de células solares fotovoltaicas para ver cómo funcionan en el espacio. ¿Cuáles fueron las conclusiones clave? Hajimiri: Mi colega de Caltech, Harry Atwater, dirigió ese experimento. Lo que funciona mejor en la Tierra no es necesariamente lo que funciona mejor en el espacio. En el espacio hay muchos daños por radiación y pudieron medir las tasas de degradación durante meses. Por otro lado, no hay vapor de agua en el espacio ni oxidación del aire, lo cual es bueno para materiales como las perovskitas que tienen problemas con esas cosas. Por eso, Harry y su equipo están explorando las ventajas y desventajas y desarrollando muchas células nuevas que son mucho más baratas y livianas: células hechas con películas delgadas de perovskitas o semiconductores como el arseniuro de galio, células que usan puntos cuánticos o guías de ondas u otras ópticas. para concentrar la luz. Muchas de estas células son muy prometedoras. Las capas muy finas de arseniuro de galio, en particular, parecen muy propicias para fabricar células ligeras pero de muy alto rendimiento y mucho más económicas porque necesitan muy poco material semiconductor. Muchos de los conceptos de diseño de satélites de energía solar, incluido uno que grupo publicado en una preimpresión de 2022, incorpora concentradores para reducir la cantidad de área fotovoltaica y masa necesaria. Hajimiri: Un desafío con ese diseño es el ángulo de aceptación bastante estrecho: las cosas deben estar alineadas correctamente para que la luz solar enfocada llegue a la celda correctamente. . Esa es una de las razones por las que nos alejamos de ese enfoque y avanzamos hacia un diseño plano. Una vista desde el interior de MAPLE: a la derecha está el conjunto de transmisores de potencia de microondas flexibles y a la izquierda están los receptores a los que transmiten esa potencia. CaltechExisten otras diferencias importantes entre el diseño del satélite de energía Caltech y los demás conceptos que existen. Por ejemplo, los otros diseños que he visto usarían microondas en el rango de Wi-Fi, entre 2 y 6 gigahercios, porque hay componentes baratos disponibles para esas frecuencias. ¿Pero el suyo está a 10 GHz? Hajimiri: Exacto, y es una gran ventaja porque cuando se duplica la frecuencia, el tamaño de los sistemas en el espacio y en la Tierra se reduce en un factor de cuatro. Podemos hacerlo básicamente porque construimos nuestros propios microchips y tenemos muchas capacidades en el diseño de circuitos de ondas milimétricas. De hecho, hemos demostrado algunos de estos paneles flexibles que funcionan a 28 GHz. ¿Y su diseño evita la necesidad de que los robots realicen ensamblajes importantes de componentes en el espacio? Hajimiri: Nuestra idea es desplegar una flota de estas estructuras en forma de velas que luego todos vuelan en formación cerrada. No están unidos entre sí. Esto se traduce en una importante reducción de costes. Cada uno de ellos tiene pequeños propulsores en los bordes y contiene sensores internos que le permiten medir su propia forma mientras vuela y luego corregir la fase de su transmisión en consecuencia. Cada uno también rastrearía su propia posición en relación con los vecinos y su ángulo con el sol. Desde su perspectiva como ingeniero eléctrico, ¿cuáles son los problemas realmente difíciles que aún quedan por resolver? Hajimiri: La sincronización horaria entre todas las partes del conjunto de transmisores es increíblemente crucial y uno de los desafíos más interesantes para el futuro. Debido a que el transmisor es un conjunto en fase, cada una de los millones de pequeñas antenas en el conjunto tiene que sincronizarse con precisión con la fase de sus vecinas para poder dirigir el haz hacia la estación receptora en el suelo.Hajimiri: Correcto. Para darle una idea del nivel de precisión de sincronización que necesitamos en un conjunto como este: tenemos que reducir el ruido de fase y la fluctuación de sincronización a solo unos pocos picosegundos en todo el transmisor de un kilómetro de ancho. En el laboratorio, lo hacemos con cables de longitud precisa o fibras ópticas que alimentan chips CMOS con fotodiodos integrados. Tenemos algunas ideas sobre cómo hacerlo de forma inalámbrica, pero no nos hacemos ilusiones: este es un largo viaje. ¿Qué otros desafíos se avecinan? Hajimiri: La enorme escala del sistema y la nueva infraestructura de fabricación necesaria para fabricarlo es muy diferente de cualquier cosa que la humanidad haya construido alguna vez. Si tuviera que clasificar los desafíos, pondría en primer lugar la voluntad, los recursos y la mentalidad detrás de un proyecto de esta magnitud. Artículos de su sitio Artículos relacionados en la Web
