Una toma espacial del interior de MAPLE, con la placa de transmisión a la derecha y los receptores a la izquierda. Fuente: SSPP
Un prototipo de energía solar espacial que se puso en órbita en enero está operativo y ha demostrado por primera vez su capacidad para transmitir energía de forma inalámbrica en el espacio y enviar energía detectable a la Tierra.
La transferencia de energía inalámbrica fue demostrada por MAPLE, una de las tres tecnologías clave que está probando el Demostrador de energía solar espacial (SSPD-1) de Caltech, el primer prototipo espacial para el Proyecto de energía solar espacial (SSPP) de Caltech. El SSPP tiene como objetivo recolectar energía solar en el espacio y transmitirla a la superficie de la Tierra.
MAPLE, abreviatura de Microwave Array for Power-Transfer Low-orbit Experiment y uno de los tres experimentos clave en SSPD-1, consta de una serie de transmisores de potencia de microondas livianos y flexibles impulsados por chips electrónicos personalizados que se han construido con silicio de bajo costo. tecnologías Utiliza una serie de transmisores para enviar energía a lugares seleccionados. Para que SSPP sea viable, las matrices de transferencia de energía deberán ser livianas para minimizar la cantidad de propulsor necesario para enviarlas al espacio, flexibles para que puedan plegarse en un paquete que pueda transportarse en un cohete y tecnología de bajo costo. en general.
MAPLE fue desarrollado por un equipo de Caltech dirigido por Ali Hajimiri, profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica y codirector de SSPP.
“Con los experimentos que hemos realizado hasta ahora, tenemos la confirmación de que MAPLE puede transmitir energía con éxito a los receptores en el espacio”, dice Hajimiri. “También pudimos programar el chip para dirigir su energía hacia la Tierra, lo que detectamos aquí en Caltech. Por supuesto, lo probamos en la Tierra, pero ahora sabemos que puede sobrevivir a un viaje al espacio y trabajar allí”.
Usando interferencias constructivas y destructivas entre transmisores individuales, la matriz de transmisores de potencia puede cambiar el enfoque y la dirección de la energía emitida, sin partes móviles. El conjunto de transmisores utiliza controles de temporización precisos para enfocar la potencia de forma dinámica y selectiva donde sea necesario mediante la adición coherente de ondas electromagnéticas. Esto permite que la mayor parte de la energía se envíe al lugar deseado y a ningún otro lugar.
MAPLE tiene dos conjuntos separados de receptores ubicados aproximadamente a un pie del transmisor que captan la energía, la convierten en corriente continua (CC) y la usan para encender un par de LED para demostrar una secuencia completa de transmisión de energía inalámbrica al espacio. . MAPLE lo probó en el espacio encendiendo cada LED individualmente y moviéndose entre ellos. El experimento no está sellado, por lo que está sujeto a las duras condiciones del espacio, incluidas grandes fluctuaciones de temperatura y radiación solar, con las que las grandes unidades SSPP tendrán que lidiar algún día.
“Hasta donde sabemos, nadie ha demostrado nunca la transferencia de energía inalámbrica en el espacio, ni siquiera utilizando estructuras rígidas y caras. Hacemos esto con estructuras flexibles y livianas y nuestros propios circuitos integrados. Esta es la primera vez”, dice Hajimiri.
MAPLE también contiene una pequeña ventana a través de la cual el chip puede transmitir energía. Esta energía transmitida fue detectada por un receptor en el techo del Laboratorio de Ingeniería Gordon y Betty Moore en el campus de Caltech en Pasadena. La señal recibida apareció en el momento y la frecuencia esperados, y tuvo el cambio de frecuencia apropiado según lo predicho a partir de su viaje fuera de órbita.
Además de demostrar que los transmisores de potencia podrían sobrevivir al lanzamiento y vuelo espacial del 3 de enero y seguir funcionando, el experimento proporcionó a los ingenieros de SSPP información útil. Las antenas de transmisión de energía están agrupadas en grupos de 16, cada una impulsada por un IC flexible completamente personalizado, y el equipo de Hajimiri ahora está evaluando el rendimiento de los componentes individuales del sistema evaluando los patrones de interferencia de grupos más pequeños y midiendo las diferencias entre diferentes combinaciones. Un proceso minucioso que puede tardar hasta seis meses en completarse por completo, el equipo podrá resolver anomalías y rastrearlas hasta unidades individuales, proporcionando información sobre la próxima generación del sistema.
La energía solar espacial proporciona una forma de aprovechar los recursos prácticamente ilimitados de la energía solar en el espacio, donde la energía está disponible constantemente sin estar sujeta a los ciclos del día y la noche, las estaciones y la nubosidad, lo que podría producir ocho veces más energía que los paneles solares en cualquier parte del mundo. La superficie de la tierra. Cuando el proyecto esté completamente implementado, el SSPP desplegará una constelación de naves espaciales modulares que recogerán la luz solar, la convertirán en electricidad y luego la convertirán en microondas, que se transmitirán de forma inalámbrica a largas distancias donde se necesiten, incluidos lugares que actualmente no tienen acceso a energía confiable.
“Los sistemas de transmisión de energía flexibles son esenciales para el proyecto de visión actual de Caltech para una constelación de paneles solares similares a velas que se despliegan al llegar a la órbita”, dice Sergio Pellegrino, Joyce y Kent Kresa, profesor de ingeniería aeroespacial y codirector de SSPP.
“De la misma manera que Internet ha democratizado el acceso a la información, esperamos que la transferencia de energía inalámbrica democratice el acceso a la energía”, dice Hajimiri. “No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía en la tierra para recibir este poder. Esto significa que podemos enviar energía a regiones remotas y áreas devastadas por guerras o desastres naturales”.
El SSPP comenzó en 2011 después de que el filántropo Donald Bren, presidente de Irvine Company y miembro vitalicio de la Junta de Síndicos de Caltech, se enterara por primera vez del potencial de la generación de energía solar espacial cuando era joven en un artículo en la revista Popular Science.
Intrigado por el potencial de la energía solar espacial, en 2011 Bren se acercó al entonces director ejecutivo de Caltech, Jean-Lou Chameau, para discutir la creación de un proyecto de investigación solar espacial. En los años que siguieron, Bren y su esposa Brigitte Bren, también fideicomisaria de Caltech, acordaron hacer una donación para financiar el proyecto. La primera de las donaciones a Caltech (que eventualmente superará los $100 millones para apoyar el proyecto y financiar la cátedra) se hizo a través de la Fundación Donald Bren.
“El arduo trabajo y la dedicación de los brillantes científicos de Caltech han cumplido nuestro sueño de proporcionar al mundo energía abundante, confiable y asequible para el beneficio de toda la humanidad”, dice Bren.
“La transición a la energía renovable, que es fundamental para el futuro del mundo, se ve limitada hoy en día por los desafíos de almacenar y transportar energía. Enviar energía solar desde el espacio es una solución elegante que se ha acercado un paso más a la realización gracias a la generosidad y previsión de Bren”, dice el presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum. energías renovables”.
“Demostrar la transmisión de energía inalámbrica en el espacio utilizando estructuras livianas es un paso importante hacia la energía solar espacial y su disponibilidad generalizada en todo el mundo”, dijo Harry Atwater, presidente de la División de Liderazgo de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Otis Booth; Profesor Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencia de los Materiales; Director de Liquid Sunlight Alliance; y uno de los investigadores principales del proyecto.
“Los paneles solares ya se utilizan en el espacio para alimentar, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional, pero para lanzar y desplegar paneles lo suficientemente grandes como para alimentar la Tierra, SSPP debe diseñar y construir sistemas de transferencia de energía solar que sean ultraligeros, baratos y flexibles. .”
Las unidades SSPP individuales se doblarán en paquetes de aproximadamente 1 metro cúbico y luego se desenrollarán en cuadrados planos de aproximadamente 50 metros de lado, con células solares en un lado mirando hacia el sol y transmisores de energía inalámbricos en el otro lado mirando hacia la Tierra.
La nave espacial Momentus Vigoride lanzada a bordo de un cohete SpaceX como parte de la misión Transporter-6 llevó un SSPD de 50 kilogramos al espacio. Momentus brinda soporte continuo de carga útil alojada para Caltech, incluida la provisión de datos, comunicaciones, comando y telemetría, y recursos para una captura de imágenes óptima e iluminación de celdas solares. El conjunto completo de tres prototipos SSPD fue planificado, diseñado, construido y probado por un equipo de aproximadamente 35 personas (profesores, estudiantes graduados, estudiantes graduados y estudiantes) en los laboratorios de Caltech.
Además de MAPLE, el SSPD tiene dos experimentos principales: DOLCE (Experimento compuesto ultraligero desplegable en órbita), una estructura de 6 por 6 pies que demuestra la arquitectura, el esquema de empaque y los mecanismos de despliegue de una nave espacial modular; y ALBA, una colección de 32 tipos diferentes de celdas fotovoltaicas para permitir la evaluación de los tipos de celdas que son más efectivos en el duro entorno espacial.
Las pruebas de celdas solares ALBA están en curso y SSPP aún tiene que intentar la implementación de DOLCE desde su publicación. Los resultados de estos experimentos se esperan en los próximos meses.