Pense no que você sabe sobre fontes limpas de energia. Qual é o mais verde?
Hidrelétricas, geotérmicas, eólicas e solares, provavelmente vêm à mente. Embora sejam ecologicamente corretos, todos eles têm limites significativos sobre a quantidade de energia que podem produzir e onde podem ser usados. A saber, apesar de alguns avanços muito legais na energia solar, os painéis solares ainda só podem gerar energia enquanto o sol brilha.
A solução, então, é óbvia. Vá para onde o sol nunca se põe: no espaço.
Essa é a visão de cientistas, pesquisadores e empreendedores tanto aqui nos Estados Unidos quanto no Japão, China e Europa. Embora o conceito tenha sido contornado pelo menos desde a década de 1970, ele foi repetidamente revisitado e abandonado porque colocar todas as partes lá em cima, e as pessoas colocarem tudo junto, era incrivelmente caro. Somente com o advento dos super satélites produzidos em massa e dos foguetes reutilizáveis, alguns estão começando a dar uma olhada muito mais difícil em tornar o espaço solar uma realidade.
Existem dezenas e dezenas de idéias sobre como construir um sistema de coleta solar baseado no espaço, mas a essência básica é algo como: lançar e montar, roboticamente, várias centenas ou milhares de módulos de tamanho idêntico em órbita geossíncrona. Uma parte compreende espelhos para refletir e concentrar a luz solar em painéis solares que convertem a energia em eletricidade. Os conversores transformam essa eletricidade em microondas de baixa intensidade que são transmitidos para grandes receptores circulares no solo. Essas antenas reconvertem as microondas novamente em eletricidade, que pode ser alimentada na rede existente.
John Mankins, que passou 25 anos na NASA e no Jet Propulsion Laboratory da Caltech, recebeu financiamento do Instituto de Conceitos Avançados da NASA em 2011 para aperfeiçoar seu conceito de usina solar espacial em mais detalhes. A tecnologia e a engenharia necessárias para tornar o espaço solar uma realidade já existe, ele insiste, mas, como acontece com qualquer idéia nova e cara, tudo se resume a dólares e a bom senso.
"Não é como fusão - não há nenhuma nova física envolvida", diz Mankins, fazendo referência ao ITER, a colaboração de 35 países para construir um reator de fusão na França. “Não há molho secreto. É um obstáculo financeiro obter financiamento para desenvolver os elementos e demonstrar a nova arquitetura necessária para fazer isso. ”
Mankins e outros estimam que o custo total para desenvolver, construir, lançar e montar todos os componentes de uma usina solar espacial é da ordem de US $ 4 a US $ 5 bilhões - uma fração do preço de US $ 28 bilhões na barragem de Três Gargantas. Mankins estima que um modelo em escala de trabalho com componentes de tamanho completo poderia ser obtido por US $ 100 milhões. Em comparação, a usina nuclear Watts Bar, recentemente concluída, do Tennessee Valley Authority levou 43 anos para ser construída, do início ao fim da gagueira, e custou US $ 4, 7 bilhões ao todo.
Criticamente, o que os consumidores pagariam - o preço por quilowatt-hora - precisa estar no mesmo patamar das fontes convencionais de energia produzidas com carvão, gás natural e energia nuclear, cujo preço varia de 3 a 12 centavos de dólar por quilowatt / hora. As usinas hidrelétricas podem ser surpreendentemente baratas, com menos de um centavo por kilowatt-hora - mas apenas se você tiver a sorte de viver em uma região com rios de alto fluxo abundantes, como em partes do Canadá e de Wisconsin. Geotérmica também é muito econômica, fazendo o check-in a 3 centavos de dólar por quilowatt-hora, mas você precisará perguntar aos islandeses como eles gostam de suas contas de energia. E os defensores do vento anunciaram a notícia no ano passado de que os custos para esse recurso renovável despencaram para 2, 5 centavos de dólar por quilowatt / hora.
Colocar o custo nos dois dígitos baixos ou até mesmo em dígitos por quilowatt-hora é absolutamente essencial para tornar o espaço solar uma utilidade competitiva, diz Gary Spirnak, CEO da Solaren, uma empresa de energia sediada na Califórnia.
A empresa da Spirnak é aprovada como fornecedora de energia solar na Califórnia e tem contratos de fornecimento anteriores com a Pacific Gas and Electric, mas seu modelo de negócios é totalmente baseado na geração de energia a partir da energia solar extraída do espaço. A Solaren está negociando novos contratos com uma ou mais concessionárias. A empresa tem patentes aqui nos EUA por seu design, bem como na Europa, Rússia, China, Japão e Canadá, e conseguiu uma primeira rodada de financiamento para uma demonstração em laboratório de suas tecnologias componentes em algum momento no próximo ano. A Spirnak espera convencer os investidores a apoiar uma usina piloto de 250 megawatts até o final da fase de desenvolvimento e testes, talvez dentro de cinco anos.
Duas estruturas fundamentais são necessárias para o espaço solar funcionar. Primeiro, amplificadores de potência em estado sólido que convertem eficientemente a eletricidade da luz solar coletada em ondas de radiofreqüência e receptores no solo que reconvertem as ondas de RF novamente em eletricidade.
Paul Jaffe detém o módulo de conversão patenteado de "degrau" solar patenteado do Laboratório de Pesquisa Naval, na frente de uma câmara de teste de vácuo térmico. (Paul Jaffe) 
Space Solar Prototype: Este módulo de conversão de luz solar para microondas para o espaço solar foi o primeiro a ser testado em condições de espaço. A robótica espacial seria usada para reunir milhares de pessoas para criar o transmissor de um satélite solar espacial. (Paul Jaffe) 
Os protótipos de módulo de conversão solar espacial da NRL foram testados neste vácuo térmico e na instalação de teste de iluminação solar simulada. (Paul Jaffe) Paul Jaffe, engenheiro do Laboratório de Pesquisa Naval em Washington, DC, trabalhou em dois protótipos do módulo de coleta, que ele chama de “sanduíche”, pois o coletor solar, conversor de energia e emissor de RF são todos esmagados em um pé. telha -square dois centímetros de espessura. O peso de cada módulo individual determina, em última análise, o preço da eletricidade distribuída no solo; em termos de watts por quilograma lançado, Jaffe diz que o projeto básico da telha chegou a cerca de 6 watts por quilograma.
Levando em conta essa potência, uma vida útil de 20 anos, um custo de lançamento de US $ 2.500 por quilo e diferentes níveis de custo dos componentes, Jaffe calcula que se a massa diminuísse e a potência aumentasse para 500 watts por quilo, equivale a um custo de 3 centavos por quilowatt-hora.
“Fazer até mesmo coisas realmente simples para reduzir a massa nos leva à faixa de 100 watts por quilograma, e 1.000 watts por quilograma não são loucos”, diz ele. "Você obtém eficiências muito boas com a tecnologia solar atual que já está comercialmente disponível, e carregamos esses conversores de RF muito eficientes e leves em nossos bolsos todos os dias."
Os conversores de RF são a razão pela qual os telefones celulares funcionam - os telefones são basicamente walkie-talkies glorificados cujos sinais são ajudados por uma rede de estações de retransmissão de sinal. Os conversores no telefone traduzem ondas de rádio em dados que entendemos - áudio - e vice-versa. Essa tecnologia é fundamental para a pesquisa sobre o espaço solar no Caltech, em uma colaboração entre cientistas e engenheiros da Northrop Grumman.
Spirnak diz que o principal objetivo do trabalho de Solaren nos últimos meses foi apenas isso - reduzir o peso de seus módulos. Embora os foguetes reutilizáveis reduzissem ainda mais o custo geral de produção, Spirnak não está prendendo a respiração a curto prazo; Ele está pensando em usar veículos convencionais de levantamento pesado para levar os componentes da Solaren ao espaço.
"Passamos muito tempo impiedosamente tirando peso do sistema", diz Spirnak. “Nós podemos empacotar elementos grandes individuais em lançadores individuais, com alguns feitos interessantes de origami, ” embora entregar todo o sistema ao espaço ainda exija vários lançadores super-pesados.
Jaffe diz que a única pergunta mais comum que ele faz quando fala sobre o espaço solar não é se pode ou deve ser feito, mas quão perigoso é esse raio de energia do espaço. Não vai fritar pássaros e aviões no céu quando passarem pelo feixe?
“Se você se sentar em uma tarde ensolarada por 15 minutos, não se queimará”, explica ele. “Nossos rádios, TVs e telefones celulares não estão cozinhando, e todos estão nas mesmas freqüências do que está sendo proposto. Já existem limites de segurança [nas transmissões de micro-ondas] definidos pelo IEEE [Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos], então você projeta um sistema para garantir que a energia seja distribuída por uma grande área. Não vai se transformar acidentalmente em um raio da morte.
Para obter as melhores relações custo-peso, eficiência de escala e capacidade de geração elétrica comparável de uma usina nuclear média (1 a 2 gigawatts), qualquer disposição de coleção solar no espaço precisaria ter aproximadamente um quilômetro de diâmetro.
Receptores de coleta no solo precisariam ser adequadamente grandes - para uma usina solar baseada no espaço gerar cerca de um gigawatt de energia, um coletor solar de um quilômetro (0, 62 milhas) transportaria energia para um quilômetro de 3, 5 ) receptor no chão. Isso exigiria uma área de cerca de 900 acres. Compare isso com a usina de painéis solares Solar Star, na Califórnia, atualmente a maior concessionária de energia solar dos Estados Unidos, que ocupa 3.200 acres.
A transmissão de energia por radiofreqüência tem uma desvantagem significativa: os comprimentos de onda "seguros" que não são refratados por algo tão simples como a chuva já estão superlotados, entupidos por transmissões de rádio regulares, além de uso militar, industrial e por satélite.
Os críticos do espaço solar, proeminentes entre eles Elon Musk, da Tesla, dizem que as eficiências em escala econômica simplesmente não podem ser alcançadas por causa de toda a conversão e reconversão do poder que é necessário.
Mas Jaffe está esperançoso de que o velho crack na fusão também não se torne verdade no espaço solar: “Faz 10 anos nos últimos 60 anos”, ele ri.
Mankins enfatiza que, com a população global prevista para explodir para 11, 3 bilhões até o final do século, com quase tudo isso representado no mundo em desenvolvimento, a energia solar espacial merece investimentos sérios de entidades públicas e parceiros privados. Ele diz que a energia limpa abundante é necessária para suprir as necessidades humanas básicas, bem como lidar com a destruição ambiental garantida se toda essa energia provém de fontes convencionais.
"Se a mistura de fontes de energia não muda radicalmente, não há como chegarmos à neutralidade de carbono", diz Mankins. “Você também não pode dizer a 800 milhões de pessoas na China que elas devem permanecer em extrema pobreza. Há uma necessidade não apenas de compensar o uso atual de carbono, mas de esperar 70 anos e de como compensaremos três vezes o uso atual. Nós realmente precisamos de grandes soluções. ”
