Di Matteo Ceriotti, Senior Lecturer in Space Systems Engineering, University of Glasgow, scrivendo in La conversazione.
L’idea dell’energia solare basata sullo spazio (SBSP) – che utilizza i satelliti per raccogliere energia dal sole e “trasmetterla” ai punti di raccolta sulla Terra – esiste almeno dalla fine degli anni ’60. Nonostante il suo enorme potenziale, il concetto non ha ottenuto una trazione sufficiente a causa dei costi e degli ostacoli tecnologici.
Alcuni di questi problemi possono ora essere risolti? In tal caso, SBSP potrebbe diventare una parte vitale della transizione mondiale dai combustibili fossili all’energia verde.
Raccogliamo già energia dal sole. Viene raccolto direttamente attraverso quella che generalmente chiamiamo energia solare. Questo comprende diverse tecnologie come il fotovoltaico (PV) e l’energia solare termica. L’energia solare viene raccolta anche indirettamente: l’energia eolica ne è un esempio, perché le brezze sono generate dal riscaldamento irregolare dell’atmosfera da parte del sole.
Ma queste forme verdi di generazione di energia hanno dei limiti. Occupano molto spazio sulla terraferma e sono limitati dalla disponibilità di luce e vento. Ad esempio, i parchi solari non raccolgono energia durante la notte e ne raccolgono meno in inverno e nei giorni nuvolosi.
Il PV in orbita non sarà limitato dall’inizio della notte. Un satellite in orbita geostazionaria (GEO) – un’orbita circolare a circa 36.000 km sopra la Terra – è esposto al Sole per oltre il 99% del tempo durante un anno intero. Ciò gli consente di produrre energia verde 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
GEO è l’ideale per quando l’energia deve essere inviata dal veicolo spaziale a un collettore di energia, o stazione di terra, perché i satelliti qui sono fermi rispetto alla Terra. Si pensa che ci sia 100 volte più energia solare disponibile da GEO, rispetto alla domanda di energia globale stimata dell’umanità entro il 2050.
Il trasferimento dell’energia raccolta nello spazio a terra richiede la trasmissione di energia wireless. L’uso delle microonde per questo riduce al minimo l’energia persa nell’atmosfera, anche con cieli nuvolosi. Il raggio di microonde inviato dal satellite sarà focalizzato verso la stazione di terra, dove le antenne riconvertono le onde elettromagnetiche in elettricità. La stazione di terra dovrà avere un diametro di 5 km, o più alle alte latitudini. Tuttavia, questo è ancora più piccolo delle aree di terreno necessarie per produrre la stessa quantità di energia utilizzando il solare o l’eolico.
Concetti in evoluzione
Numerosi progetti sono stati proposti dal primo concept di Peter Glaser nel 1968.
In SBSP, l’energia viene convertita più volte (luce in elettricità, microonde in elettricità) e parte di essa viene persa sotto forma di calore. Per immettere nella rete 2 gigawatt (GW) di potenza, il satellite dovrà raccogliere circa 10 GW di potenza.
Un concetto recente chiamato CASSIOPeiA è costituito da due riflettori orientabili larghi 2 km. Questi riflettono la luce del sole in una serie di pannelli solari. Questi trasmettitori di potenza, di circa 1.700 metri di diametro, possono essere puntati verso la stazione di terra. Si stima che il satellite possa avere una massa di 2.000 tonnellate.
Un’altra architettura, SPS-ALPHA, differisce da CASSIOPeIA in quanto il collettore solare è una grande struttura formata da un numero enorme di piccoli riflettori modulari chiamati eliostati, ciascuno dei quali può essere spostato indipendentemente. Sono prodotti in serie per ridurre i costi.
Nel 2023, gli scienziati del Caltech hanno lanciato MAPLE, un esperimento satellitare su piccola scala che ha trasmesso una piccola quantità di energia al Caltech. MAPLE ha dimostrato che la tecnologia potrebbe essere utilizzata per fornire energia alla Terra.
Interesse nazionale e internazionale
L’SBSP potrebbe svolgere un ruolo cruciale per raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette del Regno Unito entro il 2050, ma l’attuale strategia del governo non lo include. Uno studio indipendente ha rilevato che SBSP potrebbe generare fino a 10 GW di elettricità entro il 2050, un quarto dell’attuale domanda del Regno Unito. SBSP fornisce un approvvigionamento energetico sicuro e stabile.
Creerà anche un’industria multimiliardaria, con 143.000 posti di lavoro in tutto il paese. L’Agenzia spaziale europea sta attualmente valutando la fattibilità di SBSP con la sua iniziativa SOLARIS. Questo potrebbe essere seguito da un piano di sviluppo completo per la tecnologia entro il 2025.
Altri paesi hanno recentemente annunciato l’intenzione di trasmettere energia alla Terra entro il 2025, passando a sistemi più grandi entro i prossimi due decenni.
Un enorme satellite
Se la tecnologia è pronta, perché SBSP non viene utilizzato? Il limite principale è l’enorme quantità di massa che deve essere lanciata nello spazio e il suo costo per chilogrammo. Aziende come SpaceX e Blue Origin stanno sviluppando veicoli di lancio per carichi pesanti, con particolare attenzione al riutilizzo di parti di tali veicoli dopo che hanno volato. Ciò può ridurre il costo dell’impresa del 90%.
Anche utilizzando il veicolo Starship di SpaceX, che può lanciare 150 tonnellate di carico nell’orbita terrestre bassa, il satellite SBSP richiederà centinaia di lanci. Alcuni componenti, come le lunghe capriate strutturali – elementi strutturali progettati per coprire lunghe distanze – potrebbero essere stampati in 3D nello spazio.
Sfide e rischi
Una missione SBSP sarà impegnativa e i rischi devono ancora essere valutati a fondo. Sebbene l’elettricità prodotta sia completamente verde, l’impatto dell’inquinamento causato da centinaia di lanci di carichi pesanti è difficile da prevedere.
Inoltre, il controllo di una struttura così grande nello spazio richiederà notevoli quantità di carburante, il che coinvolge ingegneri che lavorano con sostanze chimiche a volte molto tossiche. I pannelli solari fotovoltaici saranno interessati dal degrado, riducendo l’efficienza nel tempo dall’1% al 10% all’anno. Tuttavia, la manutenzione e il rifornimento di carburante potrebbero essere utilizzati per prolungare la vita del satellite quasi all’infinito.
Un raggio di microonde abbastanza potente da raggiungere il suolo potrebbe anche danneggiare qualsiasi cosa si frapponga. Per motivi di sicurezza, quindi, la densità di potenza del raggio dovrà essere limitata.
La sfida di costruire piattaforme come questa nello spazio può sembrare scoraggiante, ma l’energia solare spaziale è tecnologicamente fattibile. Per essere economicamente fattibile, richiede un’ingegneria su larga scala, e quindi un impegno a lungo termine e decisivo da parte dei governi e delle agenzie spaziali.
Ma con tutto ciò in atto, SBSP potrebbe dare un contributo fondamentale per raggiungere lo zero netto entro il 2050 con energia sostenibile e pulita dallo spazio.
Questo articolo è originariamente apparso su The Conversation.