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Una nave espacial con panel solar puede colocarse en el espacio

22/04/2020 12:51 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Dado el limitado desarrollo real de las naves espaciales, parte de las ideas y avances se encuentran todavía en el ámbito de la ciencia ficción, especialmente en la llamada ciencia ficción dura

 

Una nave espacial, astronave o cosmonavees un vehículo diseñado para funcionar más allá de la atmósfera terrestre, en el espacio exterior. Las naves espaciales pueden ser robóticas o bien estar tripuladas o no..

Dado el limitado desarrollo real de las naves espaciales, parte de las ideas y avances se encuentran todavía en el ámbito de la ciencia ficción, especialmente en la llamada ciencia ficción dura.

 

Aunque la idea de los viajes espaciales se remonta al menos hasta la época del antiguo Imperio romano, no ocurre lo mismo con el concepto de "nave espacial", pues la imaginación humana se vio severamente condicionada por la falta de desarrollo tecnológico. Autores como Plutarco en el siglo I (De facie in orbe lunae), y Kepler en el siglo XVII (Somnium) mencionan viajes a la Luna, aunque no son capaces de concebir un artefacto capaz de realizar el viaje, valiéndose para ello de caminos ocultos o de la intervención de espíritus.

Los primeros intentos no mágicos para alcanzar el espacio aparecen en la segunda mitad del siglo XVIII, utilizando los precarios métodos disponibles en la época. Así, en Las aventuras del barón Munchausen se alcanza la Luna en globo. No obstante, este relato sigue perteneciendo todavía al género de la fantasía épica. El salto de la fantasía a la ciencia ficción se producirá casi un siglo después, en la famosa De la Tierra a la Luna, publicada por Julio Verne en 1865, en la que se emplea un gigantesco cañón balístico, de nuevo con destino a la Luna. En esta novela el autor ya trata de dar solución a algunos de los problemas de su método de viaje, tales como la ausencia de oxígeno fuera de la atmósfera o la compensación de la inmensa aceleración del despegue.

Años después, H. G. Wells seguiría usando el método del cañón en La guerra de los mundos (1898), pero en este caso con destino a Marte.

Es en esa época, ya en los inicios del siglo XX, cuando surgen finalmente las primeras ideas realistas sobre naves espaciales; ideas que vendrán asociadas al motor de reacción. La obra pionera en este campo es La exploración del espacio cósmico por medio de los motores de reacción, publicada por el físico ruso Konstantín Tsiolkovski en 1903. En este punto la ciencia ficción dará paso a la ciencia.

 

El diseño de naves espaciales abarca tanto a las naves no tripuladas o robóticas (satélites y sondas) como a las tripuladas (estaciones espaciales, transbordadores y módulos).

Las naves espaciales hasta la fecha constan de dos partes:

Cohete: sección impulsora, compuesta por los motores y los depósitos de combustible, cuya misión es abandonar la atmósfera terrestre y poner la nave en órbita estable.

La nave en sí, que efectuará propiamente el viaje por el espacio, y que puede adoptar cualquiera de las formas anteriormente mencionadas.

Sistemas de propulsión

Los cohetes impulsores funcionan con combustible químico, ya sea sólido o propelente líquido, mientras que las naves pueden funcionar con motores químicos, nucleares, iónicos o incluso mediante velas solares.

 

Siendo por el momento la propulsión química la única con referentes en la realidad práctica, debería suponerse más abundantes los ejemplos de su uso en la ciencia ficción. Pudo ser así en la ciencia ficción más temprana, antes de generalizarse el uso de la fisión atómica como fuente de energía. Cuando la energía atómica se hizo una realidad, la soñadora mente de los escritores abandonó al viejo cohete como medio de salir de la Tierra.

Aun así se ha convertido en el emblema de toda una época y autores como Ray Bradbury, en Crónicas marcianas (1950), lo asociaron a su obra de manera casi indisoluble (si bien es posible que el tremendo calor del verano del cohete no fuera producido por combustión).

Los cohetes químicos tienen una autonomía muy limitada debido a su enorme gasto de masa propelente y sería poco probable que nos llevasen mucho más allá de Marte. De hecho, sin poder desterrar totalmente este tipo de impulsor, la NASA está evaluando la posibilidad de construir un cañón electromagnético en la falda de una montaña para auxiliar en el despegue a las lanzaderas espaciales, ahorrando combustible y disminuyendo los riesgos de accidentes.

En La Luna es una cruel amante, Robert A. Heinlein, ya en 1966, utiliza una catapulta electromagnética para acelerar carga desde una base lunar a la Tierra y el mismo mecanismo es usado por Arthur C. Clarke en el relato Maelstrom II, de 1965. Estas obras, alejadas de la fantasía de las revistas de usar y tirar, pretenden abordar el tema de la colonización de cuerpos cercanos con cierto rigor científico.

Aún hoy la idea del cañón continua vigente en la forma de catapultas electromagnéticas y la llamada «propulsión a explosión atómica», conceptualmente idéntica a la explosión química

Hace unos meses, Lewis-Weber publicó un artículo en la revista «New Space» en el que detalla lo que cree que puede ser la solución de la crisis energética que se avecina: Instalarpaneles solares auto-replicantes en el espacio.

Estos paneles espaciales construirían copias de sí mismos, autónomamente, en la superficie de la luna. Después, entrarían en la órbita terrestre, recogerían la energía solar y la enviarían al suelo de la Tierra de forma inalámbrica.

Saclima Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica ya se utiliza para producir energía en los satélites espaciales

Los paneles auto-replicantes en la luna pueden parecer una idea disparatada, pero la noción de paneles solares lanzados al espacio ya apareció hace décadas, ganando importancia durante la crisis del petróleo de los 70’s.

Después de eso fue desapareciendo tras la bajada de los precios del oro negro, pero desde entonces, podemos destacar dos condiciones que no se daban por aquel entonces:

  • El mundo necesita desesperadamente acabar con el cambio climático.
  • Las innovaciones tecnológicas han ayudado a llevar esta idea de la ciencia ficción a su actual proceso de investigación

 

 

Las emisiones de CO² han experimentado imposible de soportar a largo plazo por nuestro planeta – Fuente: El País

La idea está despertando mucha curiosidad y, con importantes inversiones, es posible que la energía solar proveniente del espacio pueda convertirse en realidad en unas pocas décadas.

¿Por qué mandar paneles solares al espacio?

De todas las fuentes de energía disponibles en la Tierra, el sol es una de la más potentes (y menos utilizadas) hoy en día. El problema reside en que no siempre está disponible (de noche o en días nublados) y, además, las centrales de generación de energía (fotovoltaicas o térmicas), necesitan a veces mucho espacio.

“Para suministrar energía a todo el mundo a través del a fotovoltaica, necesitaríamos cubrir un área que es un 92% del tamaño del Estado de Nevada (casi un 50% del territorio español), eso sin contar las baterías”, Estima Lewis-Weber, “lo cual, no es factible”.

Saclima Solar Fotovoltaica

Necesitaríamos una planta fotovoltaica del tamaño de la mitad de España para suministrar la suficiente energía con la demanda eléctrica actual

Pero, si pusiéramos los mismospaneles solares en el espacio, por encima de la atmósfera, no habría meteorología con la que lidiar y los paneles dispondrían de luz casi continuamente. Además, la luz que los alcanza sería un 27% más brillante, ya que no traspasarían ningún filtro atmosférico.

Desde la estacion espacial internacional se ouede enviar un Pathfinder en orbita terrestre

Estos paneles utilizarían microondas para enviar la energía a los receptores en la Tierra. Y no, no nos freirían vivos.

«El sistema estaría diseñado para no sobrepasar las densidades de potencia seguras», dijo Paul Jaffe, que trabaja en paneles solares basados ​​en el espacio en el Laboratorio Naval de Investigación de los Estados Unidos.

Jaffe, ha propuesto un plan para lanzar los paneles solares en el espacio desde la Tierra – pero no se auto-replicarían: «Es como si no tuvieras que preocuparte por romper el récord de velocidad terrestre montando tu bicicleta. El sistema no podía ser construido».

Tampoco el gran conjunto de paneles proyectaría una gran sombra sobre la Tierra. La luz solar se difundiría alrededor de la estructura, como ocurre con otros satélites en órbita. Incluso cuando la luna eclipsa el sol, sólo proyecta una sombra sobre una pequeña parte del mundo durante un corto período de tiempo. La sombra de una matriz del tamaño de Nevada sería «ni siquiera una millonésima parte de eso», asegura Jaffe.

 

Campo fotovoltaico en la luna – 

Hay otra ventaja para la energía solar espacial. Estas matrices podrían emitir energía a través de vastas porciones del globo, dondequiera que se establezcan los receptores.

Esto abre la posibilidad de enviar electricidad a las aldeas de los países en desarrollo o a las zonas afectadas por desastres naturales. El equipo receptor, dice Jaffe, podría caber en un par de contenedores.

Además, dado que la luz del sol sería esencialmente continua, la energía solar basada en el espacio no requiere el desarrollo de baterías grandes para almacenar la energía, algo que retiene la energía solar basada en tierra.

Un gran problema

Se necesitarán un montón depaneles solares para alimentar el mundo, y el lanzamiento de todos al espacio no será barato.

En el documento, Lewis-Weber calcula que podría costar decenas de billones de dólares enviar un número significativo de satélites de energía solar.«Definitivamente, el lanzamiento es uno de los factores más influyentes en la determinación del costo del espacio solar».

Jaffe está de acuerdo: «Sin reducir ese costo, o utilizando algún medio alternativo para poner la nave espacial en su lugar, es imposible que pueda competir en precio con los combustibles fósiles».

¿Una posible solución?

¿Y si, en lugar de enviar miles de los  repetidos paneles en órbita, pudiéramos enviar uno que esté programado para hacer copias de sí mismo?

Entonces, cada módulo que se fabrica haría copias de sí misma, y así sucesivamente. Así, la población de satélites de panel solar crecería exponencialmente, cubriendo el tamaño de Nevada en unos meses o años.

Saclima Solar Fotovoltaica

Este sería el proceso si el campo FV se instalara en la superficie lunar – 

La Tierra no tiene los recursos para construir todos esos robots, así que en su lugar podríamos enviar la máquina auto-replicante a la Luna, sugiere Lewis-Weber. Allí, podría explotar el suave regolito lunar para extraer aluminio, hierro y silicio, para convertirse en partes de sus satélites solares “bebés”.

Construir robots auto-replicantes no será fácil, pero Lewis-Weber tiene un plan. El primer paso sería simplificar el diseño de los paneles tanto como sea posible. «En lugar de tener 1.000 diferentes tipos de tornillos», dice, «vamos a tener cinco. En lugar de tener diferentes moldes para diferentes partes, vamos a tener una impresora 3D».

Con alrededor de 18 diferentes «especies» de máquinas para la fabricación, cada uno realizando una tarea diferente, como la producción de tornillos o células solares, teóricamente es posible convertir la luna en una fábrica de células solares autosuficientes.

 

Campo Fotovoltaico Lunar – 

No hay necesidad de uniones o de transporte de materia (aunque este último sin duda sería útil). Lewis-Weber cree que podría lograr un Campo Fotovoltaico Lunarpor unos 10.000 millones de dólares. La mayor parte de eso se gastaría en investigación y desarrollo. Después de que la tecnología se desarrolla y se pone en marcha, cada panel solar que fabrica es esencialmente gratis.

Por esos mismos $ 10 mil millones, la construcción y el lanzamiento de los paneles de la Tierra proporcionaría una matriz que es lo suficientemente grande como para alimentar 150.000 hogares. No está mal, pero no es tan genial como ser capaz de suministrar energía a todo el mundo con la misma cantidad de dinero.

Incluso si el I+D de Lewis-Weber termina costando 100 mil millones de dólares, el costo de la electricidad que genera ($ 0, 00042 por kilovatio-hora) sería muchísimo menor que el de los combustibles fósiles.

Todo es posible

Por su complejidad, los robots auto-replicantes aún no existen, y “será un desafío de ingeniería muy duro”, admite Lewis-Weber. Pero es posible. Científicos han hecho muchos progresos en construir máquinas que puedan reproducir y una impresora 3D se asemeja mucho; puede imprimir hasta el 73% de una copia exacta a ella.

Saclima Fotovoltaica

Ya existen impresoras 3D que producen paneles fotovoltaicos – 

En términos de excavar el polvo lunar y refinarlo en partes utilizables, podría ser un trabajo para Deep Space Industries y Planetary Resources, empresas que están desarrollando tecnologías para extraer los asteroides.

Mientras tanto, los investigadores en Japón han demostrado con éxito el tipo de transmisión de energía inalámbrica que necesita para obtener la energía de los paneles solares en órbita hasta el suelo. Fueron capaces de transmitir 10 kilovatios de potencia a un receptor 1.640 (500 metros) de distancia.

¿Cuál es la fórmula del exito?

En la presentación del equipo de Jaffe para el Departamento de Defensa de USA, presentó un plan para obtener energía solar desde el espacio sin anclarlo al suelo. Su estrategia usaría paneles lanzados desde la tierra en lugar desde la luna, pero el testado paso a paso sería similar para ambas estrategias.

Un equipo internacional comprobaría la tecnología en el suelo, antes de enviarla a la Estación Espacial Internacional. Después de ello, lanzarían una misión “Pathfinder” – una versión a pequeña escala del campo FV – en la órbita terrestre. La misión será capaz de enviar la energía a cualquier punto de la tierra.


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