Plano de painéis solares espaciais pode transmitir energia de volta à Terra

Ali Hajimiri passou uma década pesquisando como colocar painéis solares no espaço e transmitir a energia de volta à Terra. No entanto, quando o professor de engenharia elétrica do Caltech fala sobre seu trabalho, as pessoas sempre têm três perguntas, geralmente nesta ordem: Por que não simplesmente colocar painéis solares na Terra? Você vai fritar pássaros no céu? Você está construindo uma Estrela da Morte?

Hajmiri brinca que planeja ter as respostas impressas em um cartão. “Vou ter isso na minha carteira para mostrar às pessoas”, disse ele.

Originalmente cético em relação à energia solar espacial, o interesse de Hajimiri foi despertado quando começou a examinar mais de perto a ideia. “Em média, você obtém cerca de oito vezes mais energia no espaço” em comparação com a energia solar na Terra, disse ele à CNN. O feixe também não matará animais. E quanto à Estrela da Morte? O feixe não será poderoso o suficiente para ser usado como arma, acrescentou.

Este ano, Hajimiri e sua equipe deram um passo em direção à concretização da energia solar baseada no espaço.

Em janeiro, eles lançaram o Maple, um protótipo de energia solar espacial com 30 centímetros de comprimento, equipado com transmissores flexíveis e leves. O objetivo era colher energia do sol e transferi-la sem fio no espaço, o que conseguiram, iluminando um par de LEDs.

Mas o “objetivo ambicioso” era ver se o Maple também poderia transmitir energia detectável para a Terra. Em maio, a equipe decidiu realizar um teste para ver o que aconteceria. No telhado do campus do Caltech em Pasadena, Califórnia, Hajimiri e os outros cientistas conseguiram captar o sinal do Maple.

A quantidade de energia que detectaram era pequena, muito pequena para ser útil, mas eles haviam conseguido transmitir energia sem fio do espaço para a Terra. “Foi só depois do fato que percebemos um pouco que, bem, isso era algo muito especial”, disse Hajimiri.

A energia solar baseada no espaço pode parecer uma ideia selvagem e futurista, mas não é nova. Já em 1941, foi descrita em um conto pelo escritor de ficção científica Isaac Asimov. Nas décadas seguintes, países como EUA, China e Japão exploraram a ideia, mas por anos ela foi descartada. “A economia simplesmente não fechava”, disse Martin Soltau, CEO da empresa britânica Space Solar.

Isso pode estar mudando agora, à medida que o custo de lançar satélites cai acentuadamente, a tecnologia solar e robótica avança rapidamente e a necessidade de abundante energia limpa para substituir os combustíveis fósseis que aquecem o planeta se torna mais urgente.

Há uma “convergência de diferentes tecnologias agora, justamente quando precisamos”, disse Craig Underwood, professor emérito de engenharia de espaçonaves na Universidade de Surrey, no Reino Unido.

O problema é que essas tecnologias precisariam ser implantadas em uma escala diferente de tudo que já foi feito antes.

O que é energia solar baseada no espaço?

Em sua essência, a energia solar baseada no espaço é um conceito bastante simples. Os humanos poderiam aproveitar a enorme energia do sol no espaço, onde ela está disponível constantemente — sem ser afetada por mau tempo, cobertura de nuvens, noite ou estações — e transmiti-la para a Terra.

Existem diferentes conceitos, mas funcionaria mais ou menos assim: enormes satélites de energia solar, cada um com mais de um quilômetro de diâmetro, seriam enviados para uma órbita muito alta.

Devido ao tamanho colossal dessas estruturas, elas seriam compostas por centenas de milhares de módulos muito menores, fabricados em massa, “como tijolos de Lego”, disse Soltau à CNN, que seriam montados no espaço por máquinas autônomas de montagem robótica.

As células solares do satélite capturariam a energia do sol, converteriam em micro-ondas e a transmitiriam sem fio para a Terra por meio de um transmissor muito grande, capaz de atingir pontos específicos no solo com precisão.

As micro-ondas, que podem facilmente atravessar nuvens e mau tempo, seriam direcionadas para uma antena receptora (ou “rectenna”) na Terra feita de malha — “pense em uma espécie de rede de pesca pendurada em postes de bambu”, disse Soltau — onde as micro-ondas seriam convertidas novamente em eletricidade e alimentariam a rede.

A energia seria transmitida sem fio na forma de micro-ondas para estações receptoras dedicadas na Terra, chamadas “rectennas”, que converteriam a energia de volta em eletricidade e a alimentariam na rede local.

A “rectenna”, com aproximadamente 6 quilômetros de diâmetro, poderia ser construída em terra ou offshore. E como essas estruturas de malha seriam praticamente transparentes, a ideia é que a terra sob elas possa ser usada para painéis solares, fazendas ou outras atividades.

Um único satélite de energia solar no espaço poderia fornecer até 2 gigawatts de energia, aproximadamente a mesma quantidade de dois reatores nucleares médios nos EUA.

Uma ideia cujo momento chegou?

Não há “nada de ficção científica na energia solar baseada no espaço”, disse Underwood, o professor britânico, à CNN. A tecnologia é madura, segundo ele. “O grande obstáculo tem sido simplesmente o custo de colocar uma estação de energia em órbita.”

Na última década, isso começou a mudar à medida que empresas como SpaceX e Blue Origin começaram a desenvolver foguetes reutilizáveis. Os custos de lançamento de hoje, em torno de R$ 7.300 por quilo, são cerca de 30 vezes menores do que na era do Ônibus Espacial no início dos anos 1980.

E embora lançar milhares de toneladas de material para o espaço pareça ter uma pegada de carbono enorme, a energia solar espacial provavelmente teria uma pegada pelo menos comparável à solar terrestre por unidade de energia, se não menor, devido à sua eficiência aumentada, uma vez que a luz solar está disponível quase constantemente, disse Mamatha Maheshwarappa, líder de sistemas de carga na Agência Espacial do Reino Unido.

Operações de perfuração pela Natural Hydrogen Energy LLC no Meio-Oeste dos EUA. Eles foram em busca de combustíveis fósseis. O que encontraram poderia ajudar a salvar o mundo Alguns especialistas vão além. Underwood disse que a pegada de carbono da energia solar baseada no espaço seria cerca de metade da de uma fazenda solar terrestre que produz a mesma energia, mesmo com o lançamento do foguete.

Mas isso não significa que a energia solar baseada no espaço deva substituir as energias renováveis terrestres, acrescentou ele. A ideia é que ela poderia fornecer energia “de base” que pode ser chamada o tempo todo para preencher as lacunas quando o vento não sopra e o sol não brilha na Terra. Atualmente, a energia de base tende a ser fornecida por usinas que funcionam com combustíveis fósseis ou energia nuclear, capazes de operar com poucas interrupções.

A energia seria “muito portátil”, disse Peter Garretson, pesquisador sênior em estudos de defesa no American Foreign Policy Council. Poderia ser transmitida do espaço até o topo da Europa, por exemplo, e depois até o sul da África.

Muitos defensores destacam o potencial que ela poderia oferecer a países em desenvolvimento com necessidades energéticas profundas, mas falta de infraestrutura. Tudo o que eles precisariam seria uma “rectenna”. “Isso proporcionará uma verdadeira democratização de uma energia abundante e acessível”, disse Soltau.

A energia solar baseada no espaço também poderia ajudar a fornecer energia para cidades e vilarejos remotos no Ártico, que ficam quase completamente escuros por meses a cada ano, e poderia transmitir energia para apoiar comunidades que enfrentam interrupções durante desastres climáticos ou conflitos.

Os desafios

Ainda há uma grande lacuna entre o conceito e a comercialização.

Sabemos como construir um satélite e sabemos como construir uma matriz solar, disse Maheshwarappa, da Agência Espacial do Reino Unido. “O que não sabemos é como construir algo tão grande no espaço.”

Ela dá o exemplo do Burj Khalifa em Dubai, o prédio mais alto do mundo, que tem cerca de 830 metros. “As estruturas das quais estamos falando são o dobro disso”, disse Maheshwarappa à CNN. “Então, nem mesmo construímos algo tão grande no chão, quanto mais no espaço.”

Os cientistas também precisam descobrir como usar inteligência artificial e robótica para construir e manter essas estruturas no espaço. “As tecnologias habilitadoras ainda estão em um nível muito baixo de prontidão tecnológica”, disse Maheshwarappa.

Então há a regulamentação deste novo sistema de energia, para garantir que os satélites sejam construídos de forma sustentável, não haja risco de detritos e haja um plano de fim de vida, além de determinar onde os locais das rectennas devem ser localizados.

A aceitação pública pode ser outro grande obstáculo, disse Maheshwarappa. Pode haver um medo instintivo quando se trata de transmitir energia do espaço.

Mas tais receios são infundados, segundo alguns especialistas. A densidade de energia no centro da rectenna seria cerca de um quarto do sol do meio-dia. “Não é diferente de ficar na frente de uma lâmpada de calor”, disse Hajimiri.

E para construir um satélite capaz de prejudicar as pessoas, ele teria que ser muitas vezes maior do que os conceitos atualmente em desenvolvimento, disse Hajimiri. “Qualquer pessoa que tentasse começar a construir isso, todo mundo saberia.”

Isso não significa que as perguntas não devam ser feitas, disse ele. A ideia é “beneficiar a humanidade, e se não o fizer, não faz sentido.”

Para alguns, no entanto, todo o conceito de energia solar baseada no espaço está fora de lugar.

Amory Lovins, físico e professor adjunto da Universidade Stanford, disse que o mundo estaria muito melhor focando nas energias renováveis terrestres. A energia extra no espaço e a capacidade de colhê-la quase 24 horas por dia “não são valiosas o suficiente para pagar o custo de coletá-la e transmitir a energia”, disse ele à CNN.

Para Lovins, as promessas de que o sistema seria uma ótima fonte de energia de base não se sustentam. Existem técnicas para combinar a demanda de energia com o fornecimento, ao invés do contrário, sem que os consumidores percebam sequer. Ter uma enorme fonte de energia que está produzindo o tempo todo é “indesejavelmente inflexível”, disse ele.

“Por que gastar dinheiro em algo que não tem chance de um caso de negócios se tiver sucesso, cuja necessidade terá sido atendida antes que você possa construí-lo e cujas estimativas de custo futuro mais otimistas são iguais ao preço atual da energia solar terrestre mais baterias?” ele perguntou.

O futuro

Mas governos e empresas ao redor do mundo acreditam que há uma grande promessa na energia solar baseada no espaço para ajudar a atender à crescente demanda por energia abundante e limpa e combater a crise climática.

Um programa de desenvolvimento capaz de demonstrar a prova de conceito está a cerca de cinco ou seis anos de distância, disse Soltau. Levará mais cinco ou seis anos para industrializar e expandir o sistema de gigawatts para que esteja totalmente operacional.

O forte apoio governamental será fundamental, disse ele. “É uma coisa ambiciosa criar uma tecnologia de energia totalmente nova.”

Nos EUA, o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea planeja lançar um pequeno demonstrador chamado Arachne em 2025, e o Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA lançou um módulo em maio de 2020 a bordo de um veículo de teste orbital, para testar hardware solar em condições espaciais.

A China Academy of Space Technology, uma designer e fabricante de espaçonaves, tem como objetivo enviar um satélite solar para a órbita baixa em 2028 e para a órbita alta até 2030, de acordo com um relatório de 2022 do South China Morning News.

Houve um surto de atividade por parte do governo do Reino Unido. Ele encomendou um estudo independente que relatou em 2021 que a energia solar baseada no espaço era tecnicamente viável, destacando designs como o CASSIOPeiA liderado pelo Reino Unido, um satélite de 1,7 quilômetros de diâmetro que visa fornecer 2 gigawatts de energia. Em junho deste ano, o governo anunciou quase US$ 5,5 milhões em financiamento para universidades e empresas de tecnologia “impulsionarem a inovação” no setor de energia solar baseada no espaço.

E a Europa tem seu programa Solaris, para estabelecer a viabilidade técnica e política da energia solar baseada no espaço, em preparação para uma possível decisão em 2025 de lançar um programa de desenvolvimento completo.

“Obviamente, antes de construir algo, tudo é especulação”, disse Garretson, “mas há fortes razões para pensar que isso pode realmente ser economicamente possível e viável.”

De volta à Califórnia, Hajimiri e sua equipe passaram os últimos seis meses testando intensivamente seu protótipo para extrair dados a serem alimentados na próxima geração de design.

A visão final de Hajimiri é uma série de velas leves e flexíveis, que podem ser enroladas, lançadas e desdobradas no espaço, com bilhões de elementos trabalhando em perfeita sincronia para enviar energia onde ela é necessária.

Ele vê seu projeto como “parte dessa longa cadeia de pessoas que constroem sobre o trabalho umas das outras e se ajudam”, disse ele. “Então, estamos dando um passo importante, talvez, mas não é o último passo.”