În 1950, scriitorul Isaac Asimov a publicat „Eu, robotul” („I, Robot”), o culegere de povestiri science-fiction. Printre povestirile incluse s-a numărat și „Raționament” („Reason”), în care scriitorul a descris o stație spațială capabilă să producă și să transmită energie electrică spre planete. Tehnologia a fost demonstrată pentru prima oară de cercetătorii de la California Institute of Technology (CalTech).

Panourile fotovoltaice ne permit să producem energie electrică din energia nelimitată furnizată de Soare, însă eficiența acestora depinde de numeroși factori tehnici și naturali. 

Pe de o parte, din punct de vedere tehnic, panourile fotovoltaice au o eficiență energetică de până la 18%. Cu alte cuvinte, acestea captează mai puțin de o cincime din energia solară, iar eficiența depinde inclusiv de calitatea montajului și de unghiul de înclinare raportat la poziția geografică. 

Pe de altă parte, cantitatea de energie electrică captată depinde de factori naturali care nu pot fi controlați, cum ar fi numărul de zile însorite de pe parcursul anului sau temperatura medie a aerului. Este și motivul pentru care producția de energie electrică din panouri fotovoltaice este mai mare pe timp de vară decât în timpul iernii. 

Ideea unui miliardar filantrop

Donald Bren este unul dintre cei mai bogați antreprenori americani. Acum în vârstă de 92 de ani, Bren este președinte și proprietar al Irvine Company, unul dintre cei mai mari dezvoltatori imobiliari din Statele Unite. A acumulat o avere de aproximativ 18 miliarde de dolari, însă în același timp este unul dintre cei mai mari filantropi din SUA: de-a lungul vieții, a donat peste 2 miliarde de dolari pentru proiecte de educație și cercetare. 

În 2011, Donald Bren a citit un articol publicat de Popular Science despre un concept tehnic de a transmite energie electrică din spațiu pe Pământ. O astfel de tehnologie ar elimina practic toate dezavantajele naturale ale panourilor fotovoltaice și ar permite captarea unor cantități mai mari de energie solară. 

Impulsionat de articolul citit în Popular Science, Bren a contactat California Institute of Technology, o instituție privată de cercetare din California cunoscută drept CalTech, cu scopul de a oferi finanțare pentru inițierea unui proiect de cercetare pentru obținerea de energie electrică în spațiul cosmic și transmiterea acesteia pe Pământ.  

După donații în valoare totală de peste 100 de milioane de dolari pe parcursul a 13 ani, proiectul conceput în 2011 a înregistrat o premieră mondială: a transmis pentru prima oară energie electrică din spațiul cosmic pe Pământ. 

Să produci energie electrică în spațiul cosmic nu reprezintă neapărat o provocare tehnică majoră. De altfel, Stația Spațială Internațională și numeroase sonde spațiale utilizează panouri fotovoltaice cu acest scop, iar pe listă se regăsesc, printre multe altele, sondele spațiale Magellan, Mars Global Surveyor sau Mars Observer, la care se adaugă și telescopul spațial Hubble. 

Unul dintre cele mai bune exemple este însă sonda spațială Juno, care din 2016 orbitează planeta Jupiter aflată la o distanță medie de circa 778 de milioane de kilometri de Soare, de peste cinci ori mai mare decât distanța medie dintre Pământ și Soare. În acest caz, energia electrică necesară funcționării provine de la un sistem de panouri fotovoltaice cu o suprafață de 50 de metri pătrați. 

Prin urmare, miza unui astfel de proiect nu este neapărat producția de energie electrică în spațiu, ci transmiterea acesteia în siguranță spre o anumită destinație de pe Pământ. 

Space Solar Power Project (SSPP)

În acest context, proiectul finanțat de Donald Bren a fost gândit de la bun început cu scopul principal de a demonstra transmiterea energiei electrice din spațiu către Pământ, fără a lua în calcul producerea propriu-zisă de energie electrică. 

Proiectul a primit numele Space Solar Power Project (SSPP), iar prototipul primului dispozitiv se numește Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1). Prototipul SSPD-1 a fost lansat în spațiu în 3 ianuarie 2023 de către Momentus, un start-up care oferă servicii de transport pe orbita Pământului, cu ajutorul unei rachete Falcon 9 dezvoltată de SpaceX, compania deținută de Elon Musk, actualul conducător al constructorului Tesla. Prototipul a fost plasat pe orbită la o altitudine de circa 480 de kilometri, mai mare decât altitudinea de 370 – 460 kilometri la care se află de regulă Stația Spațială Internațională. 

După lansare, Momentus a asigurat suport pentru CalTech prin furnizarea de date telemetrice, comunicații și resurse pentru realizarea de imagini. 

Prototipul SSPD-1 este alcătuit din trei componente. Cea mai importantă dintre ele este MAPLE, un acronim pentru Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment. 

Componenta MAPLE a fost dezvoltată sub conducerea lui Ali Hajimiri, un profesor de inginerie electrică și inginerie medicală de la CalTech. Practic, vorbim despre un ansamblu de emițătoare de microunde flexibile și ușoare care sunt controlate de cipuri electronice produse cu tehnologii accesibile bazate pe siliciu. 

Primul experiment derulat de CalTech a fost să trimită un fascicul de energie de la emițător către un receptor echipat cu două LED-uri situat la circa 0,3 metri distanță. În cadrul experimentului, fiecare dintre cele două LED-uri s-a aprins intermitent, o dovadă că transferul de energie electrică de la emițător către receptor a funcționat corect. 

Din datele pe care le avem, nimeni nu a demonstrat vreodată transferul de energie fără fir în spațiu, chiar și cu structuri rigide și costisitoare. Noi facem acest lucru cu structuri flexibile și ușoare și cu propriile noastre circuite integrate. Este o premieră. 

Ali Hajimiri, coordonator al proiectului MAPLE

Al doilea experiment a avut ca scop transmiterea de energie electrică spre o destinație precisă de pe Pământ: acoperișul Laboratorului de Inginerie din sediul central CalTech. 

MAPLE este echipat cu un sistem de antene de transmisie grupate în ansambluri de câte 16, iar fiecare grup de antene este controlat de un cip integrat. Din punct de vedere tehnic, MAPLE este capabil în acest stadiu de dezvoltare să trimită 1 W de energie electrică. 

Experimentul a fost efectuat de trei ori și, de fiecare dată, receptoarele de pe acoperișul CalTech au recepționat câte 1 mW (0,001 W) de energie electrică. Semnalul a fost recepționat la momentul și la frecvența anticipate de ingineri pe baza simulării călătoriei energiei electrice de pe orbită pe Pământ.

A durat câteva secunde să înțelegem cu adevărat că da, transferul de energie se întâmplă. Sigur că nivelul de energie este foarte scăzut în acest moment, dar a fost vorba în primul rând să detectăm transferul de energie. Este un prim pas. 

Ali Hajimiri, coordonator al proiectului MAPLE

Transferul de energie a avut loc wireless pe baza unui fenomen fizic cunoscut sub numele de interferență, care apare ca urmare a faptului că lumina are comportamentul unei unde. Cel mai simplu, acest fenomen poate fi explicat prin undele care apar atunci când pui ambele mâini în apă: fiecare mână generează propriile unde, iar la un moment dat undele sunt suficient de mari pentru a interacționa unele cu altele: acest fenomen fizic este cunoscut drept interferență constructivă. 

Cantitatea de energie electrică transmisă către Pământ este infimă, inclusiv raportat la caracteristicile tehnice ale MAPLE, care permitea teoretic transmiterea unei cantități de 1.000 de ori mai mare. Chiar și așa, experimentul este considerat un succes pentru că este pentru prima oară când energia electrică a fost transmisă cu succes din spațiul cosmic pe Pământ.

Este adevărat că dimensiunile sistemului sunt mult mai mici decât cele de care am avea nevoie pentru un sistem cu adevărat eficient (n.r – din punct de vedere al cantității de energie electrică transmisă spre Pământ), dar elementul cheie este că am demonstrat viabilitatea tehnologiei. 

Ali Hajimiri, coordonator al proiectului MAPLE 

Pe lângă MAPLE, prototipul SSPD-1 include alte două dispozitive: DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) este o structură pătrată cu latura de 1,8 metri prin care CalTech testează sistemul de împachetare al echipamentului pe care ar urma să-l folosească în viitor, în timp ce ALBA include 32 de tipuri de celule fotovoltaice care vor fi studiate pentru a observa care dintre ele oferă cele mai bune rezultate în spațiul cosmic. 

ALBA are de asemenea un rol crucial în acest proiect, întrucât caracteristicile tehnice ale panourilor fotovoltaice utilizate în spațiul cosmic sunt diferite de cele uzuale de pe acoperișurilor caselor de pe Pământ. De altfel, panourile fotovoltaice ale Stației Spațiale Internaționale cântăresc circa 2,1 kilograme pe metru pătrat, au un raport de putere-masă de 200 W pe kilogram, iar costurile de producție sunt de circa 10.000 de dolari pe metru pătrat. 

Practic, panourile fotovoltaice pentru proiectul SSPP trebuie să reprezinte un compromis între panourile accesibile folosite pe Pământ și panourile mai eficiente folosite pe Stația Spațială Internațională și sondele spațiale. 

Provocările extinderii sistemului

Un alt obstacol în dezvoltarea unui prototip de tip MAPLE la scară mai mare este modul în care echipamentul tehnic ajunge în spațiul cosmic. Prototipul MAPLE care putea trimite cel mult 1 W de energie electrică și care a fost trimis pe orbită în cadrul experimentului are o masă totală de 50 de kilograme și o suprafață de circa 1,5 metri pătrați. 

Inginerii CalTech estimează însă că un sistem capabil să trimită 100 MW de energie electrică și să alimenteze cu energie electrică câteva mii de locuințe simultan ar avea în forma desfășurată în spațiul cosmic o suprafață de circa un kilometru pătrat. 

Un astfel de sistem ar fi compus din mai multe pachete individuale cu un volum de un metru cub care ar fi lansate în spațiu și apoi desfășurate pe suprafețe pătrate cu latura de 50 de metri. Fiecare pachet ar avea panouri fotovoltaice pe partea îndreptată spre Soare și transmițătoare wireless de energie electrică pe partea îndreptată spre Pământ. 

Pe lângă dimensiunile generoase, un astfel de sistem cu o putere de 100 MW trebuie să fie suficient de flexibil pentru a fi împachetat într-o formă cât mai compactă și suficient de ușor pentru a reduce costurile de lansare în spațiu. Această ultimă problemă este deja rezolvată în mare parte datorită rachetei Falcon 9 dezvoltată de SpaceX, întrucât aceasta este reutilizabilă și permite lansări multiple cu costuri accesibile.

Ansamblurile flexibile de transmisie a energiei sunt esențiale pentru designul actual pentru o constelație de panouri solare asemănătoare unor vele care se desfășoară odată ce ajung pe orbită.

Sergio Pellegrino, profesor de inginerie aerospațială și inginerie civilă CalTech.

Un avantaj major al tehnologiei este că la punctul de destinație de pe Pământ nu este nevoie de echipamente tehnice avansate, ci doar de receptoare care pot fi conectate la rețeaua clasică. Astfel, sistemul de transmitere a energiei electrice din spațiu ar fi util în special în zonele în care rețeaua de energie electrică este afectată brusc de apariția unor fenomene meteo extreme precum inundații, ninsori abundente sau vânturi puternice. 

La fel cum internetul a democratizat accesul la informație, sperăm că transferul de energie fără fir va democratiza accesul la energie. Nu va fi nevoie de infrastructură de transmisie a energiei la sol pentru a primi această energie. Asta înseamnă că putem trimite energie în regiuni izolate și în zone devastate de război sau dezastre naturale. 

Ali Hajimiri, coordonator al proiectului MAPLE

Până atunci va mai trece însă ceva timp: cercetătorii implicați în proiectul dezvoltat de CalTech estimează că o centrală electrică cu o putere de 100 MW instalată pe orbita Pământului ar putea fi operațională pentru a transmite energie electrică pe Pământ în aproximativ 10 ani.

Filmele prezintă frecvent un drum direct către succes. În realitate, drumul spre succes este plin de cotituri și fundături, dar oamenii nu vorbesc despre asta. Sunt multe lucruri care pot merge prost. Cheia este să înveți din fiecare și să faci următorul pas.

Ali Hajimiri, coordonator al proiectului MAPLE

CalTech a devenit prima instituție de cercetare care a realizat un transfer de energie electrică din spațiu pe Pământ, însă nu este singura care dezvoltă proiecte de acest gen. 

Academia de Tehnologie Spațială din China (CAST) a anunțat în 2022 că își propune să realizeze un astfel de experiment în anul 2028, în cadrul căruia să folosească un satelit care să genereze 10 kW de energie electrică care să fie transmisă ulterior pe Pământ. Ulterior, în 2030, experimentul ar urma să aibă loc pe o orbită geostaționară la 35.800 de kilometri de Pământ. 

Între timp, Agenția Spațială Europeană a prezentat un concept asemănător sub numele SOLARIS, iar primele experimente în spațiu sunt programate în preajma anului 2030.

Foto principală: Dreamstime.