El desafío de la transmisión de energía desde el espacio

Siempre atenta a mostrar las alternativas energéticas amigables con el medio ambiente, la web Chilerenovables.cl publicó un artículo en donde un ingeniero criollo explica lo que podría llegar a ser la transmisión de energía (solar) desde el espacio vía ondas hacia la Tierra.

Hace tiempo lo habíamos invitado a escribir y al fin se animó. Para Chile Renovables es relevante contar con la colaboración de  Javier Hueichapan, ingeniero civil electricista especializado en telecomunicaciones y con un entusiasta e incipiente conocimiento en energías renovables no convencionales.

Actualmente se  encuentra estudiando un Magister Ingeniería de la Energía (PUC), aunque laboralmente está dedicado a las telecomunicaciones.

Transportar energía ha sido uno de los grandes problemas que ha debido afrontar la ciencia. Actualmente se opta por transferirla en grandes cantidades entre subestaciones y lugares de generación usando cables montados sobre torres de alta tensión; para esto se usan principalmente voltajes continuos (DC) ya que estos minimizan las pérdidas que provocan los cables al convertirse en inductancias. Por lo tanto, una de las grandes ventajas que tendría transmitir energía sin usar cables sería que se acabarían las pérdidas asociadas al cable.

La transferencia de energía vía ondas en el espacio tiene otras complejidades, el aire posee una atenuación dependiendo de la frecuencia a la que se transmite, las pérdidas que deben soportar los elementos que componen un sistema de transferencia de energía deben limitarse al mínimo, debe acoplarse perfectamente el transmisor con el receptor, la eficiencia debe alcanzar valores altos para que sea rentable transmitir energía desde el espacio, etc.

Históricamente se concluyó que las ondas se transmiten en mejores condiciones en la atmósfera, minimizando pérdidas, están en la banda de frecuencia de microondas. A éstas se denominan aquellas ondas cuya frecuencia se encuentran dentro del rango de 300 MHz y 300 GHz. Es un rango amplio y que se usa en variadas aplicaciones, que van desde los hornos de microondas (2.45 GHz), bandas de radiofrecuencia como las UHF (0,3 a 3 GHz), bandas de telefonía celular (800 MHz, 1,9GHz, etc), radares, etc.

Las microondas al ser ondas electromagnéticas llevan energía en su desplazamiento por el medio. Esta energía depende inversamente de la longitud de onda según la formula:

E=hc/(longitud de onda)

Por tanto las microondas al ser una frecuencia alta en comparación con otras ondas de radio (por ejemplo, las ondas usadas en radiodifusión que son del orden de 1.000 kHz, y energía 10-27 Joules). Se tiene que las microondas pueden transmitir mayor cantidad de energía (del orden de 10-30 Joules).

HISTORIA

Nikola Tesla en 1904, trató sin éxito, de realizar una transmisión de energía usando ondas de frecuencia de 150 kHz, sin embargo, a ese nivel de frecuencia es muy baja la energía que se puede transmitir debido a las pérdidas por atenuación del medio [1].

A partir de la segunda mitad del siglo XX, se comienzan a realizar experiencia similares, pero con mejores resultados debido a los avances tecnológicos. William Brown [1], [2] en 1964 demostró con éxito la transmisión de energía realizando el vuelo de un helicóptero alimentado con microondas, lográndose una potencia recibida en el helicóptero de 270 W. Para esta experiencia se usó frecuencia de 2.45GHz.

En 1968 Brown desarrolló el primer dispositivo receptor, y transformador en voltaje DC, de ondas de microondas denominado rectenna [3].

En 1975 se obtuvo un record de eficiencia de 84% en la transferencia y conversión de microondas a voltaje DC en JPL Goldstone Facility, California [4]. En este caso se usó una antena parabólica para emitir y una rectenna de 25 m2 para recibir desde 1,6 km. de distancia, la potencia a la salida de la rectenna fue de 30 kW [2].

En paralelo a esto, en 1968 [2] Dr. Peter Glaser propuso la idea de colocar un Solar Power Satellite (SPS) en una órbita estacionaria, el cual recibiendo la energía solar a través de paneles fotovoltaicos y convirtiendo esta energía en un rayo de microondas, podía ser dirigido a la Tierra y nuevamente convertido a Energía Eléctrica. Un nuevo concepto de fuente de energía había nacido.

En los Estados Unidos las MTP (transmisión de energía vía microondas) fueron analizadas intensamente en los años 1970s para buscar obtener el desarrollo de la tecnología. Esto fue analizado por el U.S. Department of Energy (DOE) y por la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Se realizaron distintos estudios y ensayos desde esa fecha, los cuales descubrieron y motivaron el desarrollo de esta técnica. En el año 2000, NASA asumió la cabeza del programa SSP Exploratory Research and Technology (SERT) [1]. Un estudio generado por National Security Space Office (NSSO) en 2007, concluyó que “Space Solar Power (SSP) posee un enorme potencial para seguridad de la energía, desarrollo económico, mejora de la gestión ambiental, adelanto de la tecnología espacial, y seguridad nacional total para las naciones que posean capacidad de desarrollarla.” Por tanto, se retomó fuertemente el desarrollo y pruebas de esta tecnología, principalmente en Estados Unidos y Japón.

En 2001, la Agencia espacial Japonesa (Nasda), anuncia que trabajará en la investigación y en el desarrollo de un prototipo que sea capaz de generar de 10 kW a 1 MW. Estos planes continúan, y en 2009 se anuncia que en 2030 se tendrá el primer prototipo de satélite orbitando.

ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SISTEMA SPS-MPT

Los elementos que conforman un sistema MPT son: Paneles Solares, Transmisor Retrodirectivo, Medio de Transmisión, y Rectenna.

Paneles Solares
Están ubicados en el satélite y deben ser capaces de producir voltajes que alimentarán el Transmisor Retrodirectivo. La eficiencia para generar fotones debe ser alta, además que su vida útil también debe considerar que enfrentarán continuamente altas radiaciones solares, ya que no existe la atenuación de la atmósfera. En la órbita geoestacionaria se tiene una radiación de aproximadamente 1.358 W/m2. Se estima que la eficiencia de la conversión tiene un rango de 35 a 50% [8]

Transmisor Retrodirectivo
Este elemento consiste en un tubo trasmisor de microondas de alta energía, el cual debe emitir la onda en la dirección de las señales piloto entrantes al transmisor. Este equivale a una rectenna inversa. La generación del rayo de microondas debe hacerse a las frecuencias de 2.45 ó 5.8 GHz debido a que éstas presentan la menor atenuación en la atmósfera. Esta conversión (de voltaje DC obtenido por los paneles fotovoltaicos a microondas) es recomendable que tenga una eficiencia de alrededor de 80% [8].

Medio de Transmisión
Corresponde a la atmósfera entre el satélite geoestacionario (SPS) y la rectenna ubicada en la Tierra. Ya que en las bandas de 2,45 ó 5,8 GHz existe baja atenuación para las ondas en dichas frecuencias, éstas son las bandas a utilizar. El objetivo de eficiencia es de alrededor de 90% [8].

Rectenna
Su función consiste en convertir y rectificar la microonda recibida en Tierra en voltaje DC. Está compuesta por una antena receptora, un filtro pasabajos de entrada, un circuito rectificador, y un filtro pasabajos de salida. Este elemento puede alcanzar sobre un 90% de eficiencia en la transformación [6].

Otro dispositivo que realiza la misma función es el conversor de onda ciclotrón (cyclotron wave converter, CWC), el cual es un dispositivo de tubo de microonda que convierte la onda en energía cinética a través de un rayo de electrones a través de la resonancia del ciclotrón. Esta energía cinética es convertida en DC por medio de la des aceleración del rayo de electrones. La eficiencia de este método es similar al obtenido por Brown (90%) [7].

En el siguiente diagrama se puede visualizar un ejemplo de configuración.

Figura 1. Ejemplo de un sistema de SPS
A modo de ejemplo, con estos elementos y una configuración que incluya los siguientes elementos:
–    24 SPS en órbita geoestacionaria
–    transmisión a 2.45 ó 5.8 GHz
–    rectena de 6.5 x 8.5 Km de recepción en Tierra
Se obtendría, teóricamente una potencia de 1.2 GW [8].

RESUMEN

La transmisión de energía vía microondas (MPT), es una tecnología que permitirá en un futuro recibir energía eléctrica a partir de paneles solares fotovoltaicos ubicados fuera de la Tierra.

Estos paneles se ubicarán en Satélites de Energía Solar (SPS) los cuales, mediante dispositivos de conversión de voltaje a ondas de la frecuencia de microondas, ejecutarán una transformación de esta energía en una radiación emitida a través de un “rayo de microondas”, el cual será recibido por un dispositivo convertidor de microondas a voltaje DC denominado rectenna.

Los elementos que conforman un sistema MPT son: Paneles Solares, Transmisor retrodirectivo, medio de transmisión, rectenna.

A lo largo del siglo XX se desarrollaron diversos experimentos prácticos, cada uno de los cuales permitió desarrollar una fase de las necesarias para que esto se acercara a convertirse en realidad. Durante el comienzo del siglo XXI se perfeccionan los métodos y se espera un prototipo operando durante el transcurso de las próximas décadas.

4.    Bibliografía

[1] James O. McSpadden, John C. Mankins. “Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology” IEEE Microwave Magazine Vol. 3 Number 4. December 2002.

[2] William C. Brown,“The History of Power Transmission by Radio Waves”, Pp 1230-1243. IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech., Vol 32. September 1984.

[3] William C. Brown,“The combination receiving antenna and rectifier”, in Microwave Power Engineering, Vol.2, E.C. Okress, Ed. New York:academic, 1968, pp. 273-275

[4] R.M. Dickinson and W.C. Brown, “Radiated microwave power transmission system efficiency measurements”, Jet Propuelsion Lab. Cal. Instit. Technol., Pasadena, CA, Tech. Memo 33-727, Mar. 15, 1975

[5] James O. McSpadden, John C. Mankins. “Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology”, IEEE Microwave Magazine, Vol. 3 Number 4. December 2002.

[6] P. Koert and J.T. Cha. “35 GHz rectenna development”, in Proc. 1st Annu. Wireless Power Transmission Conf., San Antonio, TX, 1993, pp. 457-466.

[7] V.A. Vanke and V.L. Savin, “Cyclotron wave converter for SPS energy transmission system”, in Proc. 2nd Inter. Symp. SPS 91 Power from Space, Paris, France, 1991, pp 515-520.

[8] “Space Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security, Phase 0 Architecture Feasibility Study”, Report to the Director, National Security Space Office Interim Assessment, Release 0.1, Octuber 2007.

Por Javier Hueichapan H.

Fuente: www.chilerenovables.cl