Dos
eventos significativos acercaron a la humanidad a la creación de una
red de energía inalámbrica global. Primero, Airbus presentó un
prototipo de sistema para generar energía en el espacio y transmitirla a
la Tierra. En segundo lugar, los ingenieros de la Agencia de Proyectos
Avanzados de Defensa (DARPA) anunciaron el desarrollo de relés ópticos a
bordo, un elemento clave del futuro sistema de distribución, a menudo
denominado "Internet de la energía".
Sueño de Nikola Tesla
Ya
existen cargadores inalámbricos para teléfonos móviles y portátiles.
El autobús eléctrico recarga las baterías sin una conexión por cable a
la red, simplemente deteniéndose en sitios especiales sin contacto.
Pero la "energía Wi-Fi", basada en el principio de inducción, es capaz
de distribuir solo pequeñas corrientes y en un radio muy limitado. Para
"distribuir" energía a largas distancias, se necesitan tecnologías
completamente diferentes.
La
idea de transmitir energía a través del aire mediante ondas
electromagnéticas fue expresada por primera vez a finales del siglo XIX
por Nikola Tesla. Propuso crear una red de estaciones receptoras y
transmisoras en todo el mundo, compuesta por generadores de alta
frecuencia, osciladores eléctricos y receptores resonantes con una alta
corriente de salida. El inventor creía que tal sistema salvaría a la
humanidad de costosas líneas de alto voltaje y uniría todas las fuentes
de energía del mundo.
En
enero de 1902, Tesla recibió una patente de "Aparato para la
transmisión de energía eléctrica". El elemento principal era la bobina
resonadora transmisora (bobina de Tesla). Para demostrar las
posibilidades del invento en la práctica, el científico construyó una
instalación de telecomunicaciones en Long Island (cerca de Manhattan).
La llamó Torre Wardenclyffe, en honor al abogado y hombre de negocios
que compró el sitio para el experimento.
Torre Wardenclyffe (foto de 1904) y diseño de la bobina transmisora de Tesla
El
proyecto fue apoyado por influyentes industriales y capitalistas de
riesgo, incluido el conocido banquero y accionista de la primera central
hidroeléctrica del Niágara del mundo, J.P. Morgan. Sin embargo, en
1903, cuando la torre estaba casi terminada, Morgan temía que el invento
pudiera derrumbar el mercado de la energía. Dejó de financiar y alentó
a otros inversores a seguir su ejemplo. Tesla comenzó a tener
dificultades financieras y en mayo de 1905 expiró la patente. La
instalación nunca funcionó.
plantas de energía espacial
En
los últimos años, el interés por las tecnologías inalámbricas de
transmisión de energía ha aumentado considerablemente. En primer lugar,
gracias a los proyectos de energía solar espacial que están
desarrollando la NASA, la ESA, así como las agencias espaciales
nacionales de Gran Bretaña, China y Japón.
Konstantin
Tsiolkovsky escribió sobre la posibilidad de recolectar energía solar
en el espacio en la década de 1920. Pero tradicionalmente se considera
que la fecha de nacimiento de la astroenergía es 1968: entonces, el
ingeniero estadounidense Peter Glaser, autor del concepto de los
satélites alimentados por energía solar, propuso una tecnología para
transmitir la energía recolectada en el espacio a la Tierra mediante un
microondas llamada "Energy Beam". ". El científico creía que la
radiación de microondas que ingresa a las antenas receptoras (rectennas)
se puede convertir en energía eléctrica transmitida a la red eléctrica.
Las
estaciones solares espaciales, en comparación con las terrestres,
tienen importantes ventajas. En primer lugar, pueden trabajar
continuamente; después de todo, el Sol nunca se pone en el espacio.
Además, pueden recoger toda la corriente de rayos en su conjunto,
mientras que en la Tierra una parte importante de ella se absorbe o
refleja, pasando a través de la atmósfera. Tampoco hay necesidad de una
infraestructura compleja y costosa: líneas eléctricas, cables y
transformadores: la distribución va directamente a los consumidores
mediante haces de energía.
Representación
esquemática que muestra la diferencia en el número de rayos que inciden
en una estación solar terrestre (izquierda) y una estación espacial
(derecha)
CC BY-SA 4.0 / Chabacano / Energía solar espacial (recortada)
Los
cálculos de los expertos de la NASA muestran que una gran estación de
satélite orbital (SPS - satélite de energía solar) con una superficie de
células solares de unos dos kilómetros de ancho puede generar energía
no menos que una planta de energía nuclear o una planta de energía
hidroeléctrica de tamaño mediano. El problema es que cuando se
transmite a la Tierra, se pierde hasta el 80 por ciento.
Por
lo tanto, la tarea principal de los científicos es desarrollar una
tecnología efectiva para la conversión, entrega y distribución de la
energía recolectada en el espacio. En la práctica, esto se puede hacer
de dos maneras: utilizando transmisores de microondas o láseres. El
primer método le permite transferir flujos de energía a escala
industrial. Además, es menos peligroso para los humanos. El segundo es
más adecuado para la fuente de alimentación puntual de dispositivos
específicos.
El concepto de una planta de energía solar con un principio de microondas de transferencia de energía a la Tierra
Energía de microondas
Después
de Nikola Tesla, varios científicos, incluido el académico Pyotr
Kapitsa, participaron en experimentos sobre transferencia inalámbrica de
energía utilizando radiación de microondas. En la práctica, la
transmisión de alta potencia utilizando microondas se realizó por
primera vez en el Observatorio Goldstone de la NASA en California en
1975 y luego se repitió en Grand Bassin en la Isla Reunión en 1997.
Durante los experimentos, se "movieron" decenas de kilovatios a lo largo
de una distancia de aproximadamente un kilómetro.
La
dificultad para crear un haz de microondas energético radica en su
divergencia, la difracción. Por ejemplo, según cálculos de la NASA,
para un haz con una frecuencia de 2,45 GHz, correspondiente a una
potencia de 750 MW, el diámetro de la antena transmisora debe ser de
al menos un kilómetro y la rectenna receptora debe ser de al menos diez.
Estas
dimensiones pueden reducirse reduciendo la longitud de onda. Pero
cuanto más cortos son, más son absorbidos por la atmósfera, la
suspensión de agua de las nubes, las gotas de lluvia y la niebla.
Además, es imposible estrechar el haz sin una pérdida proporcional de
potencia.
proyecto airbus
cómo se transferirá la energía desde el espacio en un sitio de prueba especial construido en la fábrica X-Works en Munich En septiembre de este año, el gigante aeroespacial europeo Airbus, con el apoyo de los empleados de la ESA, demostró
. Con la ayuda de la radiación de microondas, el rayo de energía
recorrió una distancia de 36 metros entre dos puntos designados como
"Espacio" y "Tierra".
Para
el experimento se construyó una mini maqueta de la ciudad. Se ha
utilizado energía inalámbrica para encenderlo, generar hidrógeno a
partir del agua e incluso enfriar cerveza sin alcohol para los
espectadores (empresarios y políticos de la UE) que deben decidir apoyar
el proyecto.
La
tecnología exhibida en la fábrica de Airbus es parte del extenso
programa Solaris de la Agencia Espacial Europea. Su elemento principal
es un enorme panel solar, que se colocará en órbita geoestacionaria a
una altitud de unos 36 mil kilómetros sobre la Tierra. La energía
recolectada se enviará hacia abajo y se utilizará para alimentar
estaciones interplanetarias y telescopios espaciales.
Concepto de red de energía inalámbrica de Airbus
© Imagen de demostración de Airbus
Según
los expertos de la ESA, el costo de la energía espacial no será mucho
más alto que en los grandes proyectos de energía terrestres: plantas de
energía nuclear o parques de generación de energía solar y eólica. Y a
medida que se construyan nuevas antenas receptoras, comenzará a declinar
a medida que se logren economías de escala. Una granja solar
geoestacionaria podrá generar alrededor de dos gigavatios de
electricidad, lo que equivale a la generación de una gran planta de
energía nuclear.
La
ESA aboga por una puesta en servicio por etapas a partir de mediados de
la década de 2030 de elementos individuales del programa Solaris con su
escalamiento de sistemas de transmisión de energía inalámbricos
terrestres a aéreos y luego espaciales. Especialistas de la agencia
señalan que la principal tarea ahora es encontrar la manera de reducir
las pérdidas en cada uno de los eslabones de la red energética.
En interés de la defensa
El
ejército también está mostrando un gran interés en la energía
inalámbrica. El Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE.
UU. (AFRL - Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea) ha estado
implementando el proyecto SSPIDR (Investigación y demostraciones
incrementales de energía solar espacial) durante varios años. Su
objetivo es desarrollar tecnologías para recolectar energía solar en el
espacio y transferirla para su uso en la Tierra. En primer lugar,
planean usarlo para el suministro de energía ininterrumpido a las
unidades de combate terrestres y la aviación de largo alcance. Pero en
el futuro, la técnica también se puede utilizar en el ámbito civil, en
áreas de difícil acceso donde no hay redes eléctricas, en áreas
marítimas, etc.
La
NASA y la Fuerza Aérea de EE. UU. ya han realizado varios experimentos
para probar la posibilidad de convertir la energía solar en radiación de
microondas de radiofrecuencia. En particular, se instaló un módulo de
antena fotoeléctrica PRAM-FX a bordo del avión orbital experimental
reutilizable X-37B, que realizó su sexto vuelo en mayo-noviembre de este
año. El dispositivo no transmite energía a la Tierra, pero le permite
evaluar la eficiencia de conversión que se produce en paneles sándwich
multicapa especiales montados en un avión.
Avión orbital experimental Boeing X-37В (12.11.2022)
Paralelamente,
la Oficina de Tecnología Táctica de la Agencia de Proyectos de
Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) está explorando el uso de
radiación de radiofrecuencia y retransmisión para crear sistemas de
distribución de energía aérea no tripulados en tierra. DARPA está
buscando una tecnología inalámbrica capaz de transmitir energía desde
100 metros hasta un kilómetro para alimentar objetos móviles.
Los
especialistas de la agencia creen que si encuentran una manera de
convertir y retransmitir de manera eficiente la energía de
radiofrecuencia en energía eléctrica y viceversa, podrán utilizar
pequeños vehículos aéreos no tripulados para resolver este problema en
lugar de los tradicionalmente considerados sistemas tripulados de alta
potencia. Los primeros resultados son alentadores, pero la eficiencia
del sistema sigue siendo extremadamente baja: se pierde del 50 al 80 por
ciento de la energía en cada nodo de conversión. Por lo tanto,
actualmente solo es posible implementar una transmisión de una etapa.
© Infografía
energía de internet
Para
superar este obstáculo, DARPA está implementando un programa para crear
relés de energía inalámbricos ópticos permanentes POWER (Relé de
energía inalámbrico óptico persistente), capaces de transmitir
eficientemente un haz de energía desde láseres terrestres a través de
repetidores de gran altitud a usuarios finales en tierra y en el aire.
Además, según los desarrolladores, dichos repetidores permitirán crear
redes de energía inalámbricas multihaz en el futuro.
“El
uso de redes sostenibles de trayectos múltiples es una verdadera
Internet energética que permite transmitir y redistribuir la energía
entre los consumidores”, se cita
en un comunicado de prensa del departamento al coronel Paul Calhoun,
jefe del programa de energía de la Oficina de Tecnologías Tácticas. "Los
problemas energéticos son especialmente agudos para los militares. A
menudo tenemos que trabajar lejos de la infraestructura energética
establecida, confiando solo en combustibles líquidos, que requieren
líneas de suministro confiables. Este desarrollo ayudará a resolver este
problema".
La
historia muestra que los avances tecnológicos a menudo se asocian con
el advenimiento de nuevos sistemas de comunicación, ya sea la invención
de la rueda, los ferrocarriles, las comunicaciones telefónicas o
Internet. Según los científicos, el próximo desencadenante de una nueva
ronda de desarrollo humano bien podría ser una red mundial de energía
inalámbrica que proporcione un suministro ininterrumpido a los
consumidores en tierra, aire, mar, agua y espacio.
Estación solar-satélite (SPS)
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