03:05 14 Dicembre 2019
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Centrale elettrica orbitante: fra realtà e fantascienza

© CC BY-SA 4.0 / José Furtado
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Riuscirà la Cina a rifornire la Terra di energia proveniente direttamente dallo spazio?

I media cinesi hanno comunicato l'intenzione del Paese di costruire una centrale fotovoltaica orbitante e di avviare la fornitura di energia proveniente dallo spazio già entro il 2030. Così si potrebbe interrompere l'estrazione di petrolio e carbone in un mondo che aspetta stazioni più pulite e convenienti? Sputnik vi spiega di cosa si tratta.

Il Sole: una fonte di energia praticamente inesauribile a disposizione dell'umanità. I progetti per impiegare l'energia solare si sono accumulati sin dall'antichità e fino a 50 anni fa erano distinti da due criteri fondamentali: la fattibilità e l'inefficienza.

I pannelli fotovoltaici furono inventati già più di 100 anni fa, ma ad oggi il numero di centrali a livello globale è relativamente basso.

Vi sono alcuni fattori che ostacolano la diffusione su larga scala delle centrali fotovoltaiche. In primo luogo, l'atmosfera e i fenomeni ad essa legati diminuiscono significativamente l'efficacia delle centrali. Anche nel giorno più terso dell'anno l'atmosfera terrestre riduce del 36% la quantità di luce solare ottenuta tramite i pannelli. In caso di cattivo tempo, invece, la situazione è ben peggiore.

Un altro problema è l'impossibilità di utilizzare l'energia solare in maniera continuativa. Di notte la centrale fotovoltaica rimane inattiva con tutti i costi che ne conseguono. Servono batterie per conservare l'energia raccolta di giorno e un'apposita rete di centrali secondarie per distribuire l'afflusso nei picchi di consumo.

Inoltre, le centrali fotovoltaiche hanno un'efficienza maggiore se collocate in prossimità dell'equatore (idealmente nel deserto). Dunque, poi per rifornire i consumatori di energia è necessario che questa copra lunghe distanze. Da non dimenticare è anche la necessità di pulire regolarmente i pannelli solari dalla polvere e di girarli continuamente per catturare più raggi solari possibile. Gran parte di questi problemi possono essere risolti semplicemente lanciando una centrale fotovoltaica nello spazio ed è proprio quello che farà la Cina. Tuttavia, questo comporta tutta una serie di altri problemi, ben più complessi.

Lo spazio?

Stando alle informazioni disponibili, i cinesi non avrebbero inventato niente di nuovo. Idee simili sono state proposte da scienziati e ingegneri da più di 70 anni. In sostanza, si propone di lanciare in orbita circumterrestre una centrale spaziale dotata di moltissimi pannelli solari che trasformeranno l'energia dei fotoni della nostra stella in corrente elettrica. Tutto è uguale alla Stazione Spaziale Internazionale, ma questa centrale sarà più grande e gestirà più energia.

L'unica grande differenza è il fatto che l'orbita della futura centrale dovrà essere geostazionaria, la centrale si troverà a 35.786 km dalla superficie terrestre. La velocità di volo della centrale coinciderà con la rotazione della Terra. La centrale si troverà per tutto il tempo al di sopra del medesimo punto della superficie terrestre. Sulla stessa orbita sono attivi i satelliti di collegamento che organizzano la comunicazione in quella determinata regione. Inoltre, un'orbita simile è una buona scelta anche per le piccole quantità di detriti spaziali che incontra. Sulla Stazione Spaziale Internazionale i pannelli solari si usurano velocemente (meno di 10 anni) e perdono efficacia perché i fotoelementi vengono danneggiati dalle microscopiche particelle di detriti spaziali.

Grazie al fatto che sarà in orbita e al di fuori dagli spessi strati di atmosfera terrestre, la centrale sarà molto più efficiente di una centrale terrestre delle stesse dimensioni. "Se disponiamo dei pannelli solari nello spazio, saranno attivi 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, il 99,9% del tempo", spiega Paul Yaffe, ingegnere spaziale del Laboratorio di ricerca dell'Aviazione statunitense, il quale ha lavorato a un progetto simile su commissione.

Poiché nello spazio non c'è atmosfera, l'efficienza dei pannelli solari aumenta del 36%. Per via della mancanza della notte e del cattivo tempo, la loro capacità lavorativa raddoppia.

Inoltre, i pannelli sono diretti verso il sole sempre con un angolo perfetto. Gli scienziati ritengono che la centrale fotovoltaica spaziale sarà 8 volte più efficiente di una sua analoga terrestre.

Corrente senza trasmissione

In verità, la disposizione di una centrale nello spazio solleva una nuova importante questione: come trasmettere la corrente alla Terra? Al momento ci sono due modi per farlo: il laser e le onde elettromagnetiche come quelle impiegate per trasmettere le frequenze radio o per riscaldare il cibo nel forno a microonde. Trasmettere energia con il laser è un metodo a lungo analizzato dagli esperti della NASA i quali hanno concluso che non è efficace.

In verità, gli esperti della NASA hanno abbandonato questo metodo negli anni '80 quando il coefficiente di efficienza energetica dei laser era solo del 10-20%. Considerate le perdite di trasmissione e la trasformazione di energia solare in elettricità il consumatore avrebbe ottenuto solamente pochi punti percentuale dell'energia inizialmente trasmessa.

Tuttavia, con la comparsa di nuove tecnologie all'inizio degli anni 2000 la situazione è cambiata radicalmente. Al momento vi sono laser ad infrarossi con un coefficiente che arriva fino al 40-50%. È stata significativamente migliorata la qualità dei fotoelementi che catturano l'energia del raggio laser (i pannelli fatti di arseniuro di gallio sono in grado di produrre elettricità con un coefficiente del 40% e in determinate condizioni anche del 70%). Anche sulla terra con l'ausilio del laser è possibile trasmettere energia, ad esempio colpire un drone in aria (a questo progetto in Russia lavorano Vitaly Kapranov, Ivan Matsak e un gruppo di giovani ingegneri del Comitato per i progetti innovativi della gioventù).

Nel caso di un fascio laser proveniente dallo spazio, non vi saranno particolari problemi: sulla Terra sarà costruita un'apposita struttura con pannelli in arseniuro di gallio che trasformeranno nel modo più efficiente possibile il fascio proveniente dallo spazio in elettricità.

Sei anni fa l'ufficio di ricerca russo NII-88 ha proposto di creare centrali fotovoltaiche spaziali russe di potenza compresa tra 1 e 10 GW con trasmissione dell'energia senza cavi ai consumatori terrestri. E i ricercatori russi considerano la trasmissione dell'energia via laser più efficace. Ecco cosa dice a tal proposito Valery Melnikov, direttore delle ricerche presso il NII-88: "La minore divergenza del fascio di luce rispetto alle onde radio permette di lavorare su una superficie più piccola dei sistemi di trasmissione e ricezione. Dunque, è possibile rifornire di energia elettrica grandi regioni di Russia, Canada, Groenlandia e altre isole del nord, nonché l'Antartide".

La seconda possibilità che stanno considerando anche i cinesi è la trasmissione del segnale alla Terra con l'ausilio delle onde radio. Un apposito dispositivo sulla centrale fotovoltaica trasformerà la corrente elettrica in onde radio e ne invierà enormi quantità alla Terra. Il problema è che per creare le onde radio serve un'apposita ossatura di grandi dimensioni.

Praticamente l'intera superficie dei pannelli solari dall'altro lato sarà occupata da un apposito sistema che genererà onde radio e le trasmetterà alla Terra. Sulla Terra quest'enorme quantità di onde radio sarà catturata da una rectenna. Questo speciale dispositivo è un'antenna che permette di trasformare l'energia ricevuta sotto forma di onde in corrente elettrica. Naturalmente anche la rectenna perderà parte dell'energia nelle fasi di ricezione ed elaborazione delle onde radio.

È importante scegliere la frequenza in modo tale che la trasmissione della radiazione non sia ionizzata. Questo permette di evitare eventuali problemi ambientali. Proprio questo problema sarà risolto dagli scienziati cinesi tra il 2021 e il 2025. La base sperimentale per questi esperimenti sarà costruita nella città di Chongqing. Perciò non c'è nulla di cui preoccuparsi: durante la fase di trasmissione dell'energia il pianeta non prenderà fuoco come se fosse in un enorme forno a microonde. Anzi, le persone non noteranno nemmeno le radiazioni supplementari. Com'è possibile che non noteremo l'enorme quantità di onde radio che continuamente arriverà sul nostro pianeta? Si ritiene che la densità del segnale non sarà molto elevata e non costituirà una minaccia per persone, aerei o uccelli. Tuttavia, sarà possibile dare una stima precisa di questo aspetto solo dopo i test.

Secondo i calcoli la rectenna sarà più grande dell'apposita centrale dotata di fotoelementi che elaboreranno il fascio laser. Ma l'efficienza della trasmissione ancora non è chiara. Gli scienziati russi insistono sul laser, mentre Cina e USA sull'utilizzo delle microonde.

È ora o no?

Ma allora cos'è che trattiene gli scienziati dalla creazione di queste centrali fotovoltaiche? Prima di tutto l'elevato costo del progetto. I missili attualmente possono portare in orbita geostazionaria simili centrali solamente con un alto numero di lanci. Poi le varie parti devono essere assemblate in orbita, il che richiede l'intervento umano.

Le stime attuali dimostrano che queste centrali verranno ammortizzate nel giro di decenni finché sulla Terra ci saranno modi alterativi e più convenienti di ottenere energia elettrica.

I cinesi parlano della possibilità di utilizzare la stampa 3D dei singoli elementi direttamente in orbita per risparmiare sui lanci. Sì, la prima stampante spaziale che stampa oggetti in orbita si trova già da alcuni anni sulla ISS e con il suo aiuto sono stati anche stampati alcuni utensili in plastica, ma questo approccio per creare una centrale elettrica direttamente nello spazio non è ancora stato intrapreso da nessuno.

Il secondo problema è l'efficienza di una simile centrale fotovoltaica. Al momento stando ai calcoli la centrale dovrebbe essere più efficiente di una terrestre anche considerate le perdite in fase di trasmissione dell'energia elettrica. Ma nessuno può dire come sarà in realtà.

Dunque, la creazione di una simile centrale non è fantascienza, ma il volume di investimenti e il risultato non chiaro intimoriscono gli investitori. Ma se la Cina riuscirà a creare e a lanciare una centrale fotovoltaica in orbita, questo non sarà un metodo molto vantaggioso per produrre energia, quanto piuttosto un esempio della forza scientifica e ingegneristica della Cina.

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energia solare, pannelli fotovoltaici, Energia, NASA, Terra, Cina, Spazio
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