A energia solar é a forma de energia renovável que mais cresce e atualmente responde por 3,6% da produção global de eletricidade hoje. Isso a torna a terceira maior fonte do mercado de energia renovável, seguida pela hidrelétrica e eólica.
Espera-se que esses três métodos cresçam exponencialmente nas próximas décadas, atingindo 40% em 2035 e 45% em 2050. Ao todo, espera-se que as energias renováveis respondam por 90% do mercado de energia até meados do século, com a energia solar respondendo por cerca de metade.
No entanto, vários desafios e questões técnicas precisam ser superados para que essa transição ocorra.
O principal fator limitante para a energia solar é a intermitência, o que significa que ela só pode coletar energia quando houver luz solar suficiente disponível. Para resolver isso, os cientistas passaram décadas pesquisando energia solar baseada no espaço (SBSP), onde os satélites em órbita coletariam energia 24 horas por dia, 365 dias por ano, sem interrupção.
Para desenvolver a tecnologia, os pesquisadores do Space Solar Power Project (SSPP) da Caltech concluíram recentemente a primeira transferência de energia sem fio bem-sucedida usando o Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE).
O MAPLE foi desenvolvido por uma equipe da Caltech liderada por Ali Hajimiri, o professor Bren de Engenharia Elétrica e Engenharia Médica e co-diretor do SSPP. O MAPLE é uma das três principais tecnologias testadas pelo Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).
Essa plataforma consiste em uma série de transmissores de microondas leves e flexíveis controlados por chips eletrônicos personalizados. O demonstrador foi construído usando tecnologias de silício de baixo custo projetadas para coletar energia solar e transmiti-la para as estações receptoras desejadas em todo o mundo.
O SSPP começou em 2011, quando Donald Bren, membro vitalício do Conselho de Curadores da Caltech, abordou o então presidente da Caltech, Jean-Lou Chameau, para discutir a criação de um projeto de pesquisa da SBSP.
Bren e sua esposa (também administradora da Caltech) concordaram em doar um total de US$ 100 milhões para financiar o projeto, enquanto a Northrop Grumman Corporation forneceu US$ 12,5 milhões adicionais. O SSPD-1 foi lançado em 3 de janeiro no topo de um SpaceX Falcon 9 como parte de um programa de compartilhamento de viagens e foi implantado por uma espaçonave Vigoride (fornecida pela empresa aeroespacial Momentus).
Para que o SBSP seja viável, os satélites precisam ser leves para que possam ser lançados de maneira econômica e flexíveis para que possam caber dentro das carenagens de carga útil (semelhante ao Telescópio Espacial James Webb (James Webb).
Harry Atwater, presidente da Otis Booth Leadership Chair da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas, professor Howard Hughes de física aplicada e ciência dos materiais e diretor da Liquid Sunlight Alliance, é um dos principais investigadores do projeto. Como ele explicou em um comunicado de imprensa da Caltech:
“A demonstração da transferência de energia sem fio no espaço usando estruturas leves é um passo importante em direção à energia solar espacial e amplo acesso a ela globalmente. Os painéis solares já são usados no espaço para alimentar a Estação Espacial Internacional, por exemplo, mas para lançar e implantar grandes o suficiente matrizes para fornecer energia à Terra, a SSPP precisa projetar e criar sistemas de transferência de energia solar que sejam ultraleves, baratos e flexíveis.”
Cada unidade SSPP pesa cerca de 50 kg (110 libras), comparável com microssatélites que normalmente pesam entre 10 e 100 kg (22 a 220 libras). Cada unidade se dobra em pacotes de cerca de 1 m3 (35 pés3) de volume e depois se desenrola em um quadrado plano medindo cerca de 50 m (164 pés) de diâmetro, com células solares de um lado e transmissores de energia sem fio do outro.
Os componentes do SPPD-1 não são selados, o que significa que estão expostos às variações extremas de temperatura do espaço. Além de demonstrar que os transmissores de energia podem sobreviver ao serem lançados ao espaço, o experimento forneceu um feedback útil aos engenheiros do SSPP.
O MAPLE também inclui uma pequena janela através da qual a matriz pode transmitir energia, que foi detectada por um receptor no Laboratório de Engenharia Gordon e Betty Moore da Caltech. Este sinal foi recebido no tempo e frequência esperados e teve a mudança de frequência prevista com base em sua órbita.
“Até onde sabemos, ninguém jamais demonstrou a transferência de energia sem fio no espaço, mesmo com estruturas rígidas caras”, disse Hajimiri. “Estamos fazendo isso com estruturas leves e flexíveis e com nossos próprios circuitos integrados. Esta é a primeira vez.”
A equipe agora está avaliando o desempenho de elementos individuais do sistema, testando os padrões de interferência de grupos menores e medindo a diferença entre as combinações. Esse processo pode levar até seis meses, dando à equipe tempo suficiente para detectar irregularidades e desenvolver soluções para informar a próxima geração de satélites solares.
Além do MAPLE, o SSPD-1 realiza dois outros experimentos principais. Estes são o Deployable on Orbit ultraLight Composite Experiment (DOLCE), uma estrutura de 1,8 x 1,8 metros (6 x 6 pés) projetada para implantar pequenas espaçonaves modulares, e ALBA, uma série de 32 tipos diferentes de células fotovoltaicas para testar qual são mais eficazes no espaço.
Os testes da ALBA estão em andamento enquanto o DOLCE ainda não foi implantado, e os resultados desses experimentos são esperados para os próximos meses. Enquanto isso, os resultados do experimento MAPLE são muito encorajadores e demonstram que as principais tecnologias SBSP são viáveis. Hajimiri disse:
“Da mesma forma que a internet democratizou o acesso à informação, esperamos que a transferência de energia sem fio democratize o acesso à energia. Nenhuma infraestrutura de transmissão de energia será necessária no solo para receber essa energia. Isso significa que podemos enviar energia para regiões e áreas remotas devastada pela guerra ou desastre natural”.
O SBSP tem potencial para produzir oito vezes mais energia do que os painéis solares localizados na superfície da Terra. Quando o projeto estiver totalmente realizado, a Caltech espera implantar uma constelação de espaçonaves modulares que irão coletar energia solar, transformá-la em eletricidade e convertê-la em microondas que possam ser transmitidas sem fio em qualquer lugar do mundo.
Além de auxiliar na transição para energia limpa e renovável, também tem o potencial de expandir o acesso de comunidades carentes. Disse o presidente da Caltech, Thomas F. Rosenbaum:
“A transição para a energia renovável, crítica para o futuro do mundo, é limitada hoje pelos desafios de armazenamento e transmissão de energia. A irradiação de energia solar a partir do espaço é uma solução elegante que se aproximou um passo da realização devido à generosidade e visão dos Brens. Donald Bren apresentou um formidável desafio técnico que promete uma recompensa notável para a humanidade: um mundo alimentado por energia renovável ininterrupta.”
Publicado em 08/06/2023 13h01
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