Avances en la tecnología de energía solar espacial

La idea de usar Energía Solar desde el espacio ha sido tema de conversación por muchos años. Este concepto, llamado Energía Solar Espacial (SSP), busca recolectar energía del sol en el espacio y regresarla a la Tierra. Ofrece la posibilidad de tener una fuente de energía constante y limpia sin los problemas relacionados con el clima o los ciclos de día y noche que afectan la energía solar en la Tierra. En los últimos años, ha habido un interés significativo en hacer de SSP una realidad, con varios experimentos y demostraciones llevándose a cabo. Sin embargo, crear un sistema práctico ha sido complicado debido a los altos costos involucrados en lanzar equipos pesados al espacio.

Una forma de superar estos desafíos es usar materiales livianos y flexibles para los sistemas de Transferencia de energía inalámbrica (WPT). Aunque ha habido pruebas exitosas de tales sistemas en la Tierra, aún no se han probado en el espacio. Este artículo presenta un experimento reciente en el que se probó una matriz WPT liviana y flexible en Órbita terrestre baja (LEO) utilizando circuitos integrados de radiofrecuencia (RFICs) hechos a medida para transmitir energía.

#El Experimento

El experimento, conocido como MAPLE (Experimento de Transferencia de Energía por Microondas en LEO), fue diseñado para probar qué tan bien podían transmitir energía estas matrices en el espacio. El sistema MAPLE consta de varios componentes, incluyendo matrices de transmisión y recepción, que fueron operadas y probadas durante ocho meses en órbita. Durante este tiempo, se recogieron resultados, incluyendo cuán precisamente las matrices podían apuntar sus haces de energía hacia la Tierra y cuán exitosamente se detectaba esta energía por las estaciones terrestres.

La idea detrás de la transferencia de energía inalámbrica es enviar energía a distancias sin necesidad de conexiones físicas. Esto tiene muchos beneficios, desde alimentar dispositivos electrónicos cotidianos hasta apoyar grandes sistemas energéticos. Incluso puede proporcionar energía a lugares donde es difícil instalar líneas eléctricas, lo que lo convierte en una solución versátil.

#La Visión de Caltech

La visión para SSP propuesta por Caltech consiste en usar grandes matrices de paneles solares en el espacio. Estos paneles recolectan energía solar, la convierten en corriente continua (DC) y luego la cambian a energía de radiofrecuencia (RF). Esta energía RF puede ser transmitida inalámbricamente a la Tierra. La ventaja de usar energía de RF/microondas es que puede viajar a través de la atmósfera con menos interferencias de las condiciones climáticas, asegurando una entrega de energía confiable.

Para mantener la seguridad, estos sistemas están diseñados para asegurar que los niveles de energía en la Tierra permanezcan por debajo de ciertos límites. Esto es importante para prevenir cualquier efecto nocivo en las personas o el medio ambiente.

#Diseño del Sistema MAPLE

MAPLE está construido dentro de un CubeSat de 6U, un diseño de satélite pequeño. Contiene una variedad de dispositivos para transmitir y recibir energía. Algunos componentes clave incluyen:

• RFICs Personalizados: Estos chips especializados gestionan la generación de frecuencia, la amplificación de potencia y la dirección del haz para el sistema de transferencia de energía.
• Antenas Flexibles: Antenas livianas que pueden integrarse fácilmente en el diseño del satélite, permitiendo una transmisión de energía efectiva.
• Matrices Rectenna: Estas reciben la energía RF enviada desde el espacio y la convierten nuevamente en energía eléctrica utilizable.

El diseño de MAPLE toma en cuenta las duras condiciones del espacio, incluyendo fluctuaciones de temperatura y exposición a radiación. El sistema está construido para soportar estas condiciones mientras mantiene su funcionalidad.

#Pruebas para Condiciones Espaciales

Antes de lanzar MAPLE, se realizaron pruebas exhaustivas para asegurar que todos los componentes pudieran sobrevivir a los desafíos de un entorno espacial. Esto incluyó verificaciones para la exposición a radiación, resistencia a vibraciones y cambios de temperatura.

Una vez en órbita, MAPLE comenzó su fase operativa. El satélite fue desplegado y se llevaron a cabo una serie de experimentos para evaluar su rendimiento en la transmisión de energía de manera inalámbrica. Estos resultados incluyeron enfocar el haz de energía en múltiples objetivos y medir cuán efectivamente se transmitía y recibía la energía.

#Resultados Experimentales

Durante la misión, MAPLE demostró con éxito la transferencia de energía inalámbrica. El equipo recopiló datos que mostraban que el sistema podía producir niveles significativos de energía. Por ejemplo, la potencia máxima DC recibida por las estaciones terrestres alcanzó hasta 251 miliwatts. Aunque esto puede no parecer mucho, representa un paso importante para demostrar que la energía solar puede ser transmitida efectivamente desde el espacio.

El sistema también mostró la capacidad de enfocar energía en áreas específicas, lo que puede ser crucial para aplicaciones específicas. La tecnología permitió ajustes rápidos en la dirección del haz, haciendo posible enviar energía a diferentes ubicaciones en la Tierra.

Sin embargo, surgieron algunos problemas inesperados durante las pruebas. Los datos recopilados mostraron signos de degradación del rendimiento con el tiempo, indicando que algunos componentes experimentaron desgaste. A pesar de esto, la funcionalidad general del sistema se mantuvo intacta.

#Suministro de Energía y Control

Un aspecto crítico del experimento MAPLE fue cómo se gestionaba y controlaba la energía. El sistema utilizó una serie de dispositivos de monitoreo para rastrear el rendimiento y asegurar que la energía se transmitiera de manera eficiente. Los hallazgos revelaron que cuando el sistema estaba bajo carga y se calentaba, había cambios en el rendimiento.

Las antenas estaban diseñadas para transmitir energía de manera coherente, enfocando efectivamente la energía en los receptores. Sin embargo, las temperaturas variadas en el espacio causaron fluctuaciones en el rendimiento, subrayando la importancia de mantener condiciones operativas estables.

#Detección de Estaciones Terrestres

Para probar aún más el éxito de la transferencia de energía inalámbrica, se instaló una estación terrestre para recibir la energía transmitida. La estación terrestre utilizó receptores avanzados para detectar la energía RF enviada desde MAPLE. El rendimiento de la estación terrestre fue crítico, ya que necesitaba mantener alineación con el satélite para maximizar la captura de energía.

Durante varios intentos, la estación terrestre detectó con éxito las señales de energía RF, validando la efectividad de la transmisión. La capacidad de enfocar energía en un lugar específico es esencial para aplicaciones prácticas en SSP.

#Desafíos Encontrados

A lo largo de la misión, el equipo encontró problemas que resaltaron áreas de mejora. Por ejemplo, los niveles de energía recibidos no siempre coincidían con las expectativas, sugiriendo que algunos componentes no estaban funcionando al máximo.

Además, se notaron discrepancias en el rendimiento entre los dos RFICs, lo que podría deberse a problemas térmicos. Algunos chips se sobrecalentaron, lo que llevó a variaciones en la salida. Entender y abordar estos problemas es crucial para futuras misiones.

#Conclusión

El experimento MAPLE marca un hito importante en el desarrollo de la tecnología de transferencia de energía inalámbrica en el espacio. Demostró que sistemas livianos y flexibles pueden ser desplegados y probados exitosamente en órbita. Aunque hubo desafíos y problemas que superar, los resultados proporcionan valiosos conocimientos para futuros proyectos.

En conclusión, el trabajo realizado por el equipo de MAPLE nos acerca a realizar el potencial de la Energía Solar Espacial. Al abordar las limitaciones existentes y continuar innovando, hay esperanza para el futuro de la energía limpia proveniente del espacio. El éxito de tales sistemas podría tener implicaciones de gran alcance, desde proporcionar energía a áreas remotas hasta contribuir a un futuro energético más sostenible a nivel global.