L’energia pulita la prenderemo direttamente in orbita

«Ci sono tre principali fonti di energia a nostra disposizione oggi: combustibili fossili, energia nucleare ed energia solare. Tra questi, l’energia solare è fondamentale per la sopravvivenza continua dell’uomo sulla Terra». Così scriveva su Science nel 1968 Peter E. Glaser, l’inventore del concetto di Solar Power Satellite, ovvero la centrale solare spaziale capace di raccogliere energia solare in orbita e di trasmetterla via microonde verso la Terra. A distanza di oltre cinquant’anni la comunità scientifica sostiene che finalmente i pannelli solari spaziali (SBSP) sono un’opzione percorribile. Ad agosto un gruppo di ricercatori del King’s College London e dell’Università di Xi’an Jiaotong ha pubblicato sulla rivista scientifica Joule uno studio che confermerebbe la possibilità, per l’Europa, di compensare fino all’80% dell’attuale produzione energetica eolica e solare, e ridurre l’utilizzo delle batterie di oltre il 70%, entro il 2050, «mantenendo comunque essenziale l’uso dell’idrogeno per l’equilibrio stagionale». In pratica si potrebbe accedere a una fonte energetica rinnovabile affidabile e costante, eliminando le attuali debolezze del mix energetico europeo e promuovendo una transizione sostenibile net-zero più agevole.

«Ovviamente ci sono ancora tantissime variabili, non solo in ambito tecnologico ma anche sul fronte dei costi. Però l’idea è ritornata in auge grazie SpaceX e la possibilità di rendere economicamente più tollerabile il trasporto», spiega Tommaso Sironi, ricercatore nel settore aerospaziale presso il Politecnico di Bari e ingegnere Ricerca & sviluppo della startup Astradyne - che si occupa proprio di sviluppo di soluzioni fotovoltaiche leggere, flessibili e performanti, base di partenza per il futuro dei pannelli solari spaziali. Gli stessi ricercatori e autori dello studio sostengono che attualmente le criticità principali sono legate proprio ai costi elevati, alla mancanza di un’adeguata maturità tecnologica, a diversi rischi regolamentari e di sicurezza orbitale. Un azzardo? Non proprio. Il professor Xinyang Che del King’s College spiega che malgrado gli ostacoli i pannelli solari spaziali godono di vantaggi sistemici unici per la decarbonizzazione e la sicurezza energetica europea.

Pannelli che operano 24 ore su 24

«Montare pannelli solari nello Spazio vuol dire raccogliere energia quasi 24 ore al giorno, mentre sulla Terra a seconda delle stagioni e il luogo dove sono montati si va dalle 8 alle 12 ore, per di più spesso a efficienza ridotta. Un pannello spaziale, con un posizionamento orbitale ideale, potrebbe costantemente convertire luce solare e trasmettere energia», sottolinea Sironi. Le configurazioni più accreditate al momento sono due. Una basata su un’ampia superficie di pannelli (planare) che potrebbe ricordare i parchi solari. Il lato esposto ai raggi raccoglie e l’altro invece integra le antenne che trasmettono a terra. «È un design concettualmente abbastanza semplice che però ha bisogno di orientare i pannelli verso il sole per massimizzare la raccolta di energia e di orientarsi anche verso una stazione ricevente a terra. Ciò vuol dire che non si può avere per 24 ore la stessa precisione su entrambi i fronti. L’altra configurazione, più complessa, impiega invece specchi (eliostato) per catturare e concentrare la luce sul pannello solare, e quindi a prescindere dalla posizione la condizione di efficienza è mediamente ottimale», puntualizza l’ingegnere.

Per quanto riguarda il trasferimento dell’energia alle stazioni di terra tutte le sperimentazioni convergono sull’impiego di onde a frequenza nell’ordine dei GHz, quindi nello spettro delle microonde. Sulla falsariga della trasmissione dati; nulla di pericoloso insomma. Il vantaggio infatti, come sottolinea Sironi, è che nuvole e umidità non condizionano il collegamento. Anzi, su frequenze comprese tra 2 e 5 GHz si ha una migliore efficienza persino rispetto ai satelliti che inviano immagini. Probabilmente il nodo più grande da sciogliere riguarda proprio il montaggio dei pannelli. Se da una parte il nuovo vettore Starship di SpaceX ha un potenziale di carico adeguato, dall’altra la via percorribile più credibile per l’assemblaggio spaziale è quella tramite robot autonomi. E in tal senso ci sono diversi progetti che stanno attirando investimenti. E inoltre c’è la questione dell’efficienza del sistema. «L’efficienza delle celle solari può variare dal 20% fino al 30% in base al costo e alla loro resistenza alle radiazioni spaziali. Ma anche nella peggiore delle ipotesi, oltre l’atmosfera il pannello riceve più energia dal sole (1350 Watt per metro quadro contro i 1000 Watt per metro quadro a terra), quindi la potenza convertita nello Spazio è maggiore. L’antenna poi durante la trasmissione e la ricezione della potenza perde un po’ di energia. Globalmente l’obiettivo è raggiungere un’efficienza totale, dal raggio di sole all’energia in rete, superiore a quello dei pannelli solari a terra. L’enorme vantaggio rimane però il fattore tempo: quella potenza è disponibile 24 ore al giorno, quasi senza interruzione».

In sintesi ogni sforzo in questa direzione sarebbe giustificato, anche perché non esiste risorsa rinnovabile così stabile e duratura capace di emancipare dalle crisi energetiche globali. «È giusto crederci perché questa tecnologia può avere anche grandi implicazioni per altre applicazioni. Se poi andiamo a scavare nei dati, fare previsioni da qui al 2050 su qualcosa di così innovativo è certamente una scommessa. Ma ci sono aziende, enti di ricerca e università che la stanno sperimentando. Piccoli moduli per saggiare il modello, come sta facendo il California Institute of Technology. Si parte sempre così. E poi di solito si giunge a destinazione», conclude Sironi.

Le sperimentazioni in atto

La Nasa rappresenta un po’ l’avanguardia del settore pannelli solari spaziali con due linee di sviluppo. Il primo è basato sul design innovativo heliostat swarm, in pratica un insieme coordinato di moduli esagonali autonomi che riflettono e concentrano la luce solare in modo continuo. Ogni modulo (tipo eliostato) dovrebbe orientare i raggi solari verso una destinazione specifica, ma in questo caso, lo swarm o “sciame” indica la gestione collettiva di un gran numero di questi dispositivi indipendenti. Il pregio è l’alta e potenziale disponibilità annua di potenza. Il secondo invece è il design planar array che appunto prevede una costruzione a sandwich, con pannello da un lato e antenna dall’altro. Questo è il più promettente, poiché più maturo e più compatibile anche con i traguardi raggiunti nei progetti di assemblaggio modulari autonomi in orbita. Esa invece ha avviato uno studio di fattibilità (Solaris) sul tema che è stato affidato a Thales Alenia Space e che dovrebbe consentire di avere un primo responso entro la fine del 2025. Il professor Xinyang Che è convinto che per raggiungere la competitività economica della SBSP entro il 2030-2050 saranno comunque necessari progressi chiave come l’assemblaggio autonomo in orbita, la trasmissione wireless su larga scala e la drastica riduzione dei costi dei lanci spaziali.