Ainda em janeiro de 2023, o Caltech Space Solar Power Project (SSPP) está prestes a lançar em órbita um protótipo, apelidado de Space Solar Power Demonstrator (SSPD), que testará vários componentes-chave de um plano ambicioso para colher energia solar no espaço e transmitir a energia de volta à Terra.
A energia solar espacial oferece uma maneira de aproveitar o suprimento praticamente ilimitado de energia solar no espaço sideral, onde a energia está constantemente disponível sem estar sujeita aos ciclos do dia e da noite, das estações e da cobertura de nuvens.
O lançamento, atualmente previsto para o início de janeiro, representa um grande marco no projeto e promete tornar realidade o que antes era ficção científica. Quando totalmente realizado, o SSPP implantará uma constelação de espaçonaves modulares que coletam a luz solar, transformam-na em eletricidade e transmitem sem fio essa eletricidade por longas distâncias onde quer que seja necessário – inclusive para locais que atualmente não têm acesso a energia confiável.
Uma espaçonave Momentus Vigoride transportada a bordo de um foguete SpaceX na missão Transporter-6 levará o SSPD de 50 quilos para o espaço. Consiste em três experimentos principais, cada um com a tarefa de testar uma tecnologia-chave diferente do projeto:
– DOLCE (experimento composto ultraleve implantável em órbita): uma estrutura medindo 6 pés por 6 pés que demonstra a arquitetura, esquema de embalagem e mecanismos de implantação da espaçonave modular que eventualmente formaria uma constelação em escala de quilômetros formando uma estação de energia;
– ALBA: Uma coleção de 22 tipos diferentes de células fotovoltaicas (PV), para permitir uma avaliação dos tipos de células que são mais eficazes no ambiente punitivo do espaço;
– MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment): Uma matriz de transmissores de potência de micro-ondas leves e flexíveis com controle de tempo preciso focando a potência seletivamente em dois receptores diferentes para demonstrar a transmissão de energia sem fio à distância no espaço.
Um quarto componente adicional do SSPD é uma caixa eletrônica que faz interface com o computador Vigoride e controla os três experimentos.
O SSPP teve seu início em 2011, depois que o filantropo Donald Bren, presidente da Irvine Company e membro vitalício do Conselho de Administração da Caltech, aprendeu sobre o potencial da fabricação de energia solar baseada no espaço em um artigo na revista Popular Science. Intrigado com o potencial da energia solar espacial, Bren abordou o então presidente da Caltech, Jean-Lou Chameau, para discutir a criação de um projeto de pesquisa de energia solar baseado no espaço.
Em 2013, Bren e sua esposa, Brigitte Bren, administradora da Caltech, concordaram em fazer a doação para financiar o projeto. A primeira das doações ao Caltech (que acabará ultrapassando US$ 100 milhões em apoio ao projeto e bolsas de professores) foi feita naquele ano por meio da Fundação Donald Bren, e a pesquisa começou.
“Por muitos anos, sonhei em como a energia solar baseada no espaço poderia resolver alguns dos desafios mais urgentes da humanidade”, diz Bren. “Hoje, estou emocionado por apoiar os brilhantes cientistas da Caltech enquanto eles correm para tornar esse sonho uma realidade.”
O foguete levará aproximadamente 10 minutos para atingir a altitude desejada. A espaçonave Momentus será então implantada do foguete em órbita. A equipe da Caltech na Terra planeja começar a executar seus experimentos no SSPD dentro de algumas semanas após o lançamento.
Alguns elementos do teste serão conduzidos rapidamente. “Planejamos comandar a implantação do DOLCE poucos dias após obter acesso ao SSPD da Momentus. Devemos saber imediatamente se o DOLCE funciona”, diz Sergio Pellegrino, Joyce e Kent Kresa, professor de Aeroespacial e professor de Engenharia Civil e codiretor da Caltech. da SSPP. Pellegrino também é pesquisador sênior do JPL, que a Caltech administra para a NASA.
Outros elementos exigirão mais tempo. A coleção de fotovoltaicos precisará de até seis meses de testes para fornecer novos insights sobre quais tipos de tecnologia fotovoltaica serão melhores para esta aplicação. O MAPLE envolve uma série de experimentos, desde uma verificação inicial da função até uma avaliação do desempenho do sistema em diferentes ambientes ao longo do tempo. Enquanto isso, duas câmeras em barreiras implantáveis montadas no DOLCE e câmeras adicionais na caixa eletrônica monitorarão o progresso do experimento e transmitirão um feed de volta para a Terra. A equipe do SSPP espera ter uma avaliação completa do desempenho do SSPD alguns meses após o lançamento.
Inúmeros desafios permanecem: nada sobre a realização de um experimento no espaço – desde o lançamento até a implantação da espaçonave e a operação do SSPD – é garantido. Mas, independentemente do que aconteça, a simples capacidade de criar um protótipo digno de espaço representa uma conquista significativa da equipe SSPP.
“Não importa o que aconteça, este protótipo é um grande passo à frente”, diz Ali Hajimiri, professor de engenharia elétrica e engenharia médica da Caltech Bren e co-diretor do SSPP. “Ele funciona aqui na Terra e passou pelos rigorosos passos exigidos de qualquer coisa lançada ao espaço. Ainda há muitos riscos, mas ter passado por todo o processo nos ensinou lições valiosas. Acreditamos que os experimentos espaciais nos fornecerão bastante informações úteis adicionais que guiarão o projeto à medida que continuamos avançando.”
Embora as células solares existam na Terra desde o final dos anos 1800 e atualmente gerem cerca de 4% da eletricidade mundial (além de alimentar a Estação Espacial Internacional), tudo sobre geração e transmissão de energia solar precisava ser repensado para uso em larga escala em espaço. Os painéis solares são volumosos e pesados, tornando-os caros para serem lançados, e precisam de fiação extensa para transmitir energia. Para superar esses desafios, a equipe do SSPP teve que imaginar e criar novas tecnologias, arquiteturas, materiais e estruturas para um sistema capaz de realizar na prática a energia solar espacial, sendo leve o suficiente para ser econômico para implantação em massa no espaço e forte o suficiente para suportar o ambiente espacial punitivo.
“A DOLCE demonstra uma nova arquitetura para espaçonaves movidas a energia solar e matrizes de antenas em fase. Ela explora a última geração de materiais compósitos ultrafinos para obter eficiência e flexibilidade de embalagem sem precedentes. Com os avanços adicionais nos quais já começamos a trabalhar, prevemos aplicações para uma variedade de futuras missões espaciais”, diz Pellegrino.
“Toda a matriz flexível do MAPLE, bem como seus principais chips eletrônicos de transferência de energia sem fio e elementos de transmissão, foram projetados a partir do zero. Isso não foi feito de itens que você pode comprar porque eles nem existiam. Este repensar fundamental do sistema desde o início é essencial para obter soluções escaláveis para SSPP”, diz Hajimiri.
Todo o conjunto de três protótipos dentro do SSPD foi idealizado, projetado, construído e testado por uma equipe de cerca de 35 pessoas. “Isso foi realizado com uma equipe menor e significativamente com menos recursos do que os que estariam disponíveis em um ambiente industrial, e não acadêmico. A equipe altamente talentosa de indivíduos em nossa equipe tornou possível alcançar isso”, diz Hajimiri.
Esses indivíduos, no entanto – uma coleção de estudantes de pós-graduação, pós-doutorandos e cientistas pesquisadores – agora representam a vanguarda no crescente campo de energia solar espacial. “Estamos criando a próxima geração de engenheiros espaciais”, diz o pesquisador do SSPP Harry A. Atwater, presidente da Divisão de Engenharia e Ciência Aplicada da Otis Booth da Caltech e professor Howard Hughes de Física Aplicada e Ciência de Materiais, e diretor do Liquid Sunlight Alliance, um instituto de pesquisa dedicado ao uso da luz solar para fabricar produtos líquidos que podem ser usados para produtos químicos industriais, combustíveis e materiais ou produtos de construção.
O sucesso ou o fracasso dos três testbeds serão medidos de várias maneiras. O teste mais importante para DOLCE é que a estrutura se desdobra completamente de sua configuração dobrada para sua configuração aberta. Para a ALBA, um teste bem-sucedido permitirá avaliar quais células fotovoltaicas operam com máxima eficiência e resiliência. O objetivo da MAPLE é demonstrar a transmissão seletiva de energia no espaço livre para diferentes alvos específicos sob demanda.
“Muitas vezes, pedimos aos colegas do JPL e da indústria espacial do sul da Califórnia conselhos sobre os procedimentos de design e teste usados para desenvolver missões bem-sucedidas. Tentamos reduzir o risco de falha, mesmo que o desenvolvimento de tecnologias totalmente novas seja inerentemente um processo arriscado”, diz Pellegrino.
A SSPP visa, em última análise, produzir um suprimento global de energia limpa, renovável e acessível. Mais informações sobre o SSPP podem ser encontradas no site do programa.
Publicado em 07/01/2023 11h37
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