Energia solare spaziale
(Solar Power from Space - SPS) - Scheda tecnica

Al Dr. Bernasconi (responsabile delle ricerche sulle strutture rigidizzabili e gonfiabili per lo spazio in Contraves) abbiamo chiesto di chiarire alcuni aspetti non ovvi, riguardo all'energia solare raccolta nello spazio e trasmessa in forma di fasci di micro-onde.


POTENZA SOLARE A TERRA E POTENZA TRASMESSA DA UNA CENTRALE SPS

D. Per rispondere alla critica circa la supposta pericolosita' del solare spaziale si dice che la potenza di un fascio convogliato di microonde non supera i 500 watt/mq, mentre il sole irradia piu' di 1000 W/mq.

R. Non è esatto. La potenza al centro del fascio di micro-onde (nel concetto di referenza DOE/ NASA, e si è generalmente d'accordo di non eccedere questi valori), l'intensità raggiunge i 23 mW/cm2, cioè i 230 W/m2 e cade a 10 W/m2 al bordo della rectenna.
La costante solare nello spazio è di poco inferiore a 1400 W/m2. A cause di riflessioni, assorbimento atmosferico ecc 700 W/m2 sono un buon valore massimo per un cielo senza nuvole, nella fascia europea temperata.

DIFFERENZE, CONVENIENZE E PERICOLOSITA' TRA SOLARE FOTOVOLTAICO ED SPS 

D. Cos'ha l'energia convogliata a terra da una centrale orbitale, di piu' o di diverso, rispetto a quella irradiata direttamente sulla terra dal sole?

R. E' monocromatica -- nell' esempio sopracitato, la trasmissione si fa a 2.45 GHz, cioè a una lunghezza d'onda di poco superiore a 10 cm, mentre il Sole emette su lunghezze d'onda da, diciamo 40 nm a 2 mm (e ovviamente oltre, ma con intensità trascurabili in questo contesto).
Ne conseque che il campo di dipoli della rectenna è "sintonizzato" con la trasmissione dell' SPS e può convertire l'energia intercettata in corrente con un' efficienza dell'89%. 

D. Se il sole manda giu' tutti i santi giorni 1000 w/mq di energia non è ancora più conveniente il solare - chiamiamolo cosi' - terrestre?

R. Qui si confonde picco e media. Un pannello in orbita è orientato e riceve sempre (salvo eclissi) 1400 W/m2. La Terra ruota intorno al suo asse e il valore massimo (e comunque inferiore) è raggiunto solo a mezzogiorno (senza nuvole). Anche la cellula fotovoltaica opera in una banda limitata, cioè converte bene luce in elettricità in un intervallo ristretto di lunghezze d'onda. Se in quell'intervallo il Sole pompa il 10% del suo flusso, l'efficienza della cellula non potrà superare il 10%, ecc. Per questo, le cellule più efficaci sono a cascata, cioè sovrappongono diversi materiali (gallio, arsenuro di gallio, sicilio, ...) così che ogni strato converta la sua fetta di radiazione. Una proposta evolutiva prevede di usare laser millimetrici per trasmettere l'energia dall'SPS e fotovoltaiche appropriate per la conversione al suolo, le quali fornirebbero un po' di energia in più, convertendo anche il flusso solare della stessa lunghezza d'onda.
Operativamente, la differenza tra rectenne e campi fotovoltaici sta nelle dimensioni (100 W/m2 vs 10-20 W/m2 o giù di lì) e nell'inquinamento termico. 

L'ottenimento di energia ad uso exosomatico o industriale, è spesso associato all' introduzione di un delta di energia nella biosfera. Questo delta ha due componenti: (i) l'investimento per realizzare la centrale di potenza e per alimentarla in "carburante" e (ii) il limite di efficienza della centrale. Io ne aggiungo una terza (iii) l'alterazione dell'albedo dovuta alle installazioni. Esempio, per una centrale a carbone:

  1. un valore x in MJ/kW installato 
  2. eta = 40%, cioè un rilascio di 2.5 kW(th) per ogni kW utile (tutti i 2.5 kW devono essere inclusi, dato che anche l'energia utile viene eventualmente dissipata all' interno della biosfera) (fonte: David Criswell)
  3.  ~ trascurabile, dato che la densità reale di una tale centrale è molto alta (molti kW/ m2 di centrale)

Sommando i tre termini arriviamo a un rapporto M che indica il numero medio di kW rilasciati dalla centrale nella biosfera per kW utile da essa fornito.

Per un impianto fotovoltaico, non solo (i) è alquanto alto, ma (iii) diventa molto grande, a causa della grande superfice necessaria per ottenere un kW utile _e_ in consequenza della (spesso) grande differenza tra l'assorbività solare della superficie originale e quella delle cellule (> 0.8); caso peggiore: il deserto. Dopo di che, il fatto che il fotovoltaico converta energia solare che scende naturalmente alla superficie - e cioè non bruci carbone o uranio - diventa irrilevante. 

Per l'SPS: (i) si effettua per la maggior parte nello spazio: solo la rectenna richiede un investimento all'interno della biosfera; (ii) è relativamente piccolo perché eta = 75%, 1.3 kW/kW e (iii) è di nuovo piccola, nonostante una grande superficie usata, perché la rectenna consiste di bacchette metalliche che occupano una piccola percentuale di detta superficie (ecc ecc).

Per quanto riguarda l'eventuale pericolosita', quello che cambia è la lunghezza d'onda di radiazione elettromagnetica. Il livello al centro del fascio fu stabilito in base a norme di sicurezza per lavori di manutenzione della rectenna che considerano effetti termici. Occorre notare inoltre che, sotto i dipoli, l'intensità diminuisce di un fattore 10, ché l'energia estratta... non è più lì!

D. L'SPS funziona anche con tempo nuvoloso?

R. Certo, il Sole continua a esistere anche "dietro le nuvole", e le microonde le passano.

I CONSUMI ENERGETICI 

D. Se capisco bene, l'SPS -- in sintesi tecnologia fotovoltaica in orbita -- ha una resa superiore, rispetto al fotovoltaico terrestre (e questo giustifica la maggior spesa per la messa in orbita delle centrali solari), essenzialmente perche' raccoglie 1400 W/m2 continui, e li invia a terra con un efficienza quasi del 90%. Inoltre, riguardando qualche tuo paper sull'argomento, vedo che i materiali di costruzione delle centrali SPS potrebbero essere di origine lunare. Avremmo quindi, anche da un punto di vista ambientale terrestre, un peso inferiore: meno installazioni a terra, rispetto al fotovoltaico, a parita' di energia ottenuta, e minor peso sul bilancio delle risorse terrestri. Ma qui ci stiamo spingendo un po' oltre i timidi orizzonti della politica spaziale attuale, isn't it? Per quanto riguarda i bisogni energetici, qualsiasi "soluzione" che preveda il calo dei consumi, come abbiamo già analizzato più volte, è nei fatti contraria alla continuazione dello sviluppo umano. E' tuttavia ragionevole porsi l'obiettivo di ottenere l'energia necessaria allo sviluppo di tutti gli umani inquinando il meno possibile ed utilizzando il meno possibile delle risorse terrestri. Ritieni che il fotovoltaico spaziale risponda pienamente a questi requisiti?

Il consumo medio di energia pro capite nei paesi post-industriali, negli anni '90, è di circa 7 kW. Considerando che, con l'avvento dell'SPS l'intera economia  si convertirebbe all'elettricità, il consumo pro-capite scenderebbe intorno ai 3 kW.

Note: 

il rapporto energetico annuale 1998 della Commissione Europea riporta una produzione totale mondiale, nel 1996, di 9234.4 Mtoe (Mega Tonnellate di Petrolio Equivalenti).

il "Libro Verde" della UE sull'energia prevede, per il 2030, un fabbisogno nell'Unione di 1700 Mtoe, contro una produzione comunitaria inferiore alle 1000 Mtie 

Sull'argomento dei fabbisogni energetici nel 21° secolo (e non solo) si vedano anche i seguenti documenti online:

[MCB - TDF 2/2001 - 06/05/2001]