Uma vez considerada ficção científica, a tecnologia capaz de coletar energia solar no espaço e transmiti-la à Terra para fornecer um suprimento global de energia limpa e acessível está se aproximando da realidade. Por meio do Projeto de Energia Solar Baseado no Espaço (SSPP), uma equipe de pesquisadores da Caltech está trabalhando para implantar uma constelação de espaçonaves modulares que coletam a luz solar, transformam-na em eletricidade e transmitem sem fio essa eletricidade onde quer que seja necessário - inclusive para lugares que atualmente não têm acesso a energia confiável.

"Este é um projeto extraordinário e sem precedentes", diz Harry Atwater, pesquisador do SSPP e presidente da Otis Booth Leadership Chair da Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech. "Ele exemplifica a ousadia e a ambição necessárias para enfrentar um dos desafios mais significativos do nosso tempo, fornecendo energia limpa e acessível ao mundo."

O projeto é liderado conjuntamente por Atwater, que também é professor Howard Hughes de Física Aplicada e Ciência dos Materiais, e dois outros pesquisadores: Ali Hajimiri, professor Bren de Engenharia Elétrica e codiretor do SSPP; e Sergio Pellegrino, Joyce e Kent Kresa Professor de Engenharia Aeroespacial e Civil, codiretor da SSPP e pesquisador sênior do Jet Propulsion Laboratory (JPL).

O aproveitamento da energia solar no espaço depende de avanços revolucionários em três áreas principais:

O grupo de pesquisa da Atwater está projetando fotovoltaicos ultraleves de alta eficiência (materiais que convertem luz em eletricidade) que são otimizados para as condições do espaço e compatíveis com um sistema modular integrado de conversão e transmissão de energia.

A equipe de pesquisa de Hajimiri está desenvolvendo a tecnologia leve e de baixo custo necessária para converter energia de corrente contínua em energia de radiofrequência (que é usada para transmitir sinais de telefones celulares, por exemplo) e enviá-la para a Terra como micro-ondas. O processo é seguro, explica Hajimiri. A radiação não ionizante na superfície é significativamente menos prejudicial do que ficar ao sol. Além disso, o sistema pode ser desligado rapidamente em caso de danos ou mau funcionamento.

O grupo de Pellegrino está inventando estruturas espaciais dobráveis, ultrafinas e ultraleves para suportar a energia fotovoltaica, bem como os componentes necessários para converter, transmitir e direcionar a energia de radiofrequência para onde ela é necessária.

A unidade básica do sistema que os pesquisadores imaginam é uma telha de 4 polegadas por 4 polegadas que pesa menos de um décimo de onça. Centenas de milhares dessas telhas se combinariam em um sistema de satélites voadores semelhantes a tapetes que, uma vez desdobrados, criariam uma superfície de coleta de luz solar que mede 3,5 milhas quadradas.

O trabalho no SSPP foi apoiado por mais de US$ 100 milhões em financiamento de Donald Bren, presidente da Irvine Company e membro vitalício da comunidade Caltech, e sua esposa, Brigitte Bren, administradora do Caltech. A Northrup Grumman Corporation forneceu financiamento para estudos iniciais de viabilidade .

Atwater, Hajimiri e Pellegrino discutiram seu progresso – e o potencial de transformação da energia solar baseada no espaço – à medida que o projeto se aproxima de um marco significativo: um teste de lançamento de protótipos no espaço em dezembro de 2022.

Sergio Pellegrino: Foi há mais de 10 anos, em 2011, que começaram as conversas com Donald Bren perguntando se o Caltech tinha alguma ideia quando se tratava de pesquisa na área de energia sustentável e espaço. Começamos a discutir, em um grupo de professores, maneiras de construir nossos interesses e o que estava acontecendo em cada uma de nossas áreas que poderiam levar a uma iniciativa de pesquisa muito impactante. Ao longo de alguns meses, tivemos uma visão – chamei de sonho – de três ou quatro avanços tecnológicos que, combinados, transformariam a forma como a energia solar espacial havia sido abordada anteriormente.

Ali Hajimiri: Esse conceito era, no passado, uma verdadeira ficção científica. O que nos possibilitou considerar levá-lo do reino da ficção científica para o reino da realidade foi a combinação de desenvolvimentos que estão acontecendo em fotovoltaica no laboratório de Harry, em estruturas no laboratório de Sergio e em transferência de energia sem fio, que está acontecendo no meu laboratório. Percebemos que agora podemos buscar a energia solar espacial de uma maneira que está se tornando prática e econômica.

Uma das primeiras perguntas que alguém faz é: "Por que você quer colocar energia fotovoltaica no espaço?" Bem, no espaço, onde você não tem dia e noite e nuvens e coisas desse tipo, você recebe cerca de oito vezes mais energia. A visão deste programa é ser capaz de fornecer a potência necessária, onde e quando você precisar.

Pellegrino : Durante um período de dois anos, construímos e demonstramos um protótipo de telha. Este é o elemento modular chave que capta a luz solar e transmite a energia. Por meio desse processo, aprendemos muitas coisas sobre como projetar sistemas altamente integrados e ultraleves desse tipo. Desenvolvemos então um segundo protótipo, 33% mais leve que o primeiro.

Hajimiri: Este bloco é o bloco de construção, como Sergio mencionou, do sistema maior. Tem que ser totalmente funcional, compatível e escalável. Embora possa parecer simples, na verdade é bastante sofisticado. Essas telhas são montadas em uma estrutura muito flexível que pode ser dobrada para caber em um veículo lançador. Uma vez implantada, a estrutura se expande e os ladrilhos funcionam em conjunto e em sincronia para gerar energia, convertê-la e transferi-la exatamente para onde você precisa e para nenhum outro lugar.

Atwater : Não se torna real até que você realmente vá para o espaço. Como Sergio e Ali descreveram, demonstramos em nossos laboratórios esse elemento de unidade chave chamado tile. Uma das lições dessa série de demonstrações foi que o caminho que precisávamos seguir para a energia fotovoltaica precisava mudar fundamentalmente. Estávamos trabalhando com o que chamarei de materiais fotovoltaicos convencionais, que precisavam ser projetados de uma forma que dificultasse o alcance da área de massa por unidade e metas específicas de energia, então tivemos que repensar basicamente o sistema fotovoltaico estratégia completamente. Como resultado, as classes de dispositivos fotovoltaicos que estamos testando no espaço nunca voaram no espaço antes.

Pellegrino : A maioria das naves espaciais hoje tem painéis solares – células fotovoltaicas ligadas a uma estrutura transportadora – mas não com esse tipo de material e não dobradas nas dimensões que alcançamos. Ao usar novas técnicas de dobragem, inspiradas no origami, conseguimos reduzir significativamente as dimensões de uma nave espacial gigante para lançamento. A embalagem é tão apertada que está essencialmente livre de vazios.

Hajimiri : A transferência de energia sem fio dessa natureza não foi demonstrada no espaço. Também estamos demonstrando isso com nosso material flexível e leve, não necessariamente uma estrutura rígida. Isso adiciona complexidade.

Hajimiri: Vai revolucionar a natureza da energia e o acesso a ela para que ela se torne onipresente, se torne energia despachável. Você pode enviar para onde precisar. Este redirecionamento de energia é feito sem qualquer movimento mecânico, puramente por meios elétricos usando uma matriz de focagem, o que o torna extremamente rápido.

Atwater: Acho que se pode dizer que a visão dos Brens realmente era fazer algo que, como Ali mencionou, surgiu originalmente quase da ficção científica, fazer algo que se tornaria uma fonte de energia em grande escala para o mundo.

Pellegrino : Tivemos colaboradores do JPL se juntando à nossa equipe, e essa colaboração se tornou poderosa e útil para nós quando começamos a pensar nessas demonstrações espaciais. A discussão sobre energia que estava implicitamente limitada a alimentar a Terra, na verdade, também se estende à exploração espacial. Estamos abrindo novos capítulos na maneira como o JPL está pensando em missões futuras.

Hajimiri : Os alunos, os pós-doutorandos, todos nós trabalhamos muito próximos e aprendemos muito sobre os domínios uns dos outros. Isso resulta em algo que é mais do que a soma de suas partes, tanto em termos de resultado final do projeto quanto em termos de formação que os alunos estão recebendo. Esse treinamento é incrivelmente importante para o futuro da tecnologia espacial, seja para transferência de energia sem fio, comunicações, estruturas espaciais ou todos os tipos de outras aplicações nas quais ainda nem pensamos.

Atwater : Eu tive uma vida inteira trabalhando em energia fotovoltaica, mas nunca imaginei em meus sonhos mais loucos que me envolveria no espaço até que essa oportunidade surgisse. E para mim, tem sido uma janela para um mundo completamente novo da ciência. Isso tem sido tremendamente excitante.

Pellegrino : Às vezes parece que estamos pressionando nossos colegas a fazer algo que eles claramente pensam ser impossível, mas depois acaba não sendo impossível. Isso é apenas uma sensação maravilhosa. É um tipo diferente de pesquisa, onde você está fazendo o melhor que pode em seu próprio campo, mas também está alavancando a interface com outros campos, um sistema coletivo que realmente vai beneficiar a sociedade. Beneficiar a sociedade é uma coisa muito mais elaborada do que fazer um bom trabalho em sua própria área. É muito mais desafiador.