Caltech ha lanciato il suo SSP in orbita: la sperimentazione per produrre energia direttamente nello Spazio è ufficialmente iniziata

Due mesi fa abbiamo dedicato questo articolo allo Space-based Solar Power Project (SSPP) ovvero al progetto per un impianto fotovoltaico spaziale, in grado – idealmente – di convertire l'irraggiamento solare in energia 24 ore su 24, 7 giorni su 7, mandandola poi sulla Terra tramite microonde.

Oggi possiamo scrivere la seconda riga di quella che sarà una delle pagine più importanti della nostra ricerca, come razza umana, di sistemi di approvvigionamento energetico pulito per fronteggiare la crisi climatica e preservare le attuali condizioni del nostro Pianeta.

Comunque vada questa sperimentazione, i progressi fatti nella tecnologia fotovoltaica, in termini di peso, dimensione, resa, flessibilità e resilienza, detteranno le future linee guida di questa tecnologia sulla Terra.

La missione Transporter-6, su cui viaggia il modulo solare, soprannominato Space Solar Power Demonstrator (SSPD), è stata lanciata con successo alle 6:55, ora locale, del 3 gennaio 2023.

Il compito di SSPD non è ancora quello di produrre energia, ma di testare i diversi componenti chiave che lo compongono.

Una volta raggiunta la quota ottimale, il prototipo dispiegherà una costellazione di moduli spaziali pieghevoli e scalabili che proveranno a raccogliere la luce solare, trasformarla in elettricità e infine trasmetterla, in modalità wireless, sulla Terra.

L'SSPD è stato montato sul veicolo spaziale Momentus Vigoride trasportato a bordo di un razzo SpaceX nella missione Transporter-6. Pesa 50 kg ed è formato da tre unità distinte, ciascuna con un compito ben specifico: DOLCE, ALBA e MAPLE.

DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment): è una struttura che misura 6 piedi per 6 piedi (~ 183x183 cm) e mostra l'architettura, lo schema di confezionamento e i meccanismi di dispiegamento del veicolo spaziale modulare. Una volta perfezionato il modulo solare, DOLCE sarà la costellazione, su scala chilometrica, della prima centrale elettrica spaziale;

ALBA: una raccolta di 32 diversi tipi di celle fotovoltaiche, per consentire una valutazione dei tipi di celle più efficaci nell'ambiente estremamente proibitivo dello spazio;

MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment): una serie di trasmettitori di potenza a microonde, leggeri e flessibili, con un preciso controllo della temporizzazione. La potenza del wireless è concentrata, in modo selettivo, su due diversi ricevitori, al fine di dimostrare la fattibilità della trasmissione di potenza wireless a distanza nello spazio.                               

Un quarto componente aggiuntivo di SSPD è un dispositivo elettronico in grado di interfacciarsi con il computer Vigoride e controllare i tre componenti.

Il razzo ha impiegato circa 10 minuti per raggiungere l'altitudine desiderata, quota in cui la navicella spaziale Momentus è stata dispiegata in orbita: entro poche settimane, il team Caltech prevede di iniziare a eseguire i propri esperimenti sull'SSPD.

"Abbiamo in programma di comandare il dispiegamento di DOLCE entro pochi giorni dall'ottenimento dell'accesso a SSPD da Momentus. Dovremmo sapere subito se DOLCE funziona", ha affermato Sergio Pellegrino, Joyce and Kent Kresa Professor of Aerospace, Professore di Ingegneria Civile presso Caltech nonché co-direttore di SSPP.

Pellegrino è anche un ricercatore senior presso il JPL (Jet Propulsion Laboratory), che Caltech gestisce per la NASA.

Se alcune delle componenti dell'SSPP potranno essere messe al lavoro in tempi brevi, altre - invece - richiederanno maggiore pazienza.

La parte relativa alle celle fotovoltaiche (la cattura dell'irraggiamento solare e la sua conversione) necessiterà di sei mesi di test per poter fornire informazioni su quali tipi di celle siano risultati i migliori per questa applicazione.

MAPLE infatti eseguirà una serie di esperimenti, da una verifica iniziale del funzionamento a una valutazione delle prestazioni del sistema, in diversi ambienti,durante il periodo trascorso in orbita.

Nel frattempo, due telecamere sui bracci dispiegabili montati su DOLCE, oltre alle telecamere aggiuntive del dispositivo elettronico, monitoreranno l'avanzamento dell'esperimento e trasmetteranno un feed alla Terra.

Il team SSPP spera di avere una valutazione completa delle prestazioni della base solare entro pochi mesi dal suo lancio.

"Qualunque cosa accada, questo prototipo è un importante passo avanti", ha dichiarato Ali Hajimiri, Bren Professor di ingegneria elettrica e ingegneria medica del Caltech e co-direttore di SSPP. "Funziona qui sulla Terra e ha superato tutti i rigorosi passaggi richiesti per qualsiasi cosa venga lanciata nello spazio. Ci sono ancora molti rischi, ma aver attraversato l'intero processo ci ha insegnato lezioni preziose. Crediamo che gli esperimenti spaziali ci forniranno un sacco di ulteriori informazioni utili che guideranno il progetto, mentre continuiamo ad andare avanti."

I pannelli solari terrestri sono troppo ingombranti e pesanti per lo spazio, oltre ad essere estremamente costosi da mandare in orbita, e richiedono un cablaggio esteso per trasmettere energia.

Per superare queste sfide, il team SSPP ha dovuto immaginare e creare nuove tecnologie, architetture, materiali e strutture per mettere a punto un sistema in grado di realizzare concretamente l'obbiettivo prefissato, produrre energia solare spaziale.

In aggiunta, il modulo doveva risultare sufficientemente leggero da poter, un domani, essere implementato a bordo di qualsiasi razzo e abbastanza forte da resistere all'ambiente spaziale, estremamente difficile.

"DOLCE utilizza una nuova architettura per veicoli spaziali a energia solare e array di antenne direzionate elettronicamente (ndr, un array di antenne controllato da computer che crea un raggio di onde radio che può essere orientato elettronicamente per puntare in direzioni diverse senza spostare le antenne). Inoltre sfrutta l'ultima generazione di materiali compositi ultrasottili per ottenere un'efficienza e una flessibilità di packaging senza precedenti. Con gli ulteriori progressi su cui abbiamo già iniziato a lavorare, prevediamo applicazioni per una serie di future missioni spaziali", ha dichiarato Pellegrino.

"L'intero array flessibile MAPLE, così come i suoi chip fondamentali di trasferimento di potenza wireless e gli elementi di trasmissione, sono stati tutti progettati da zero. Non sono stati progettati da componenti già pronte perché non esistevano neppure. Questo fondamentale ripensamento del sistema da zero è essenziale per realizzare soluzioni scalabili per SSPP", ha aggiunto Hajimiri.

L'intera serie di tre prototipi all'interno della SSPD è stata immaginata, progettata, costruita e testata da una squadra di circa 35 persone.

"Tutto questo è stato ottenuto con un team più piccolo e risorse significativamente inferiori rispetto a quelle disponibili in un ambiente industriale, piuttosto che accademico. Il team di persone di grande talento del nostro team ha reso possibile il raggiungimento di questo obiettivo", ha proseguito Hajimiri.

Queste persone, studenti laureati, dottorandi e ricercatori, ora rappresentano l'avanguardia nel campo dell'energia solare spaziale.

"Stiamo creando la prossima generazione di ingegneri spaziali", hanno dichiarato il ricercatore dello SSPP, Harry A. Atwater, Leadership Chair del Caltech della Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate e Howard Hughes, Professore di Fisica Applicata e Scienza dei Materiali e direttore del Liquid Sunlight Alliance, un istituto di ricerca dedicato all'utilizzo della luce solare per realizzare prodotti liquidi per uso chimico, industriale, combustibile ed edile.

Il successo o il fallimento dei tre banchi di prova sarà misurato in vari modi.

Il test più importante per DOLCE è che la struttura si dispieghi completamente, passando dalla sua configurazione ripiegata alla quella aperta senza intoppi e/o danni.

Per ALBA, un test riuscito fornirà una valutazione di quali celle fotovoltaiche operano con la massima efficienza e resilienza.

L'obiettivo di MAPLE è dimostrare la fattibilità della trasmissione selettiva di energia nello spazio libero a diversi obiettivi specifici su richiesta.

"Molte volte, abbiamo chiesto ai colleghi del JPL e del settore spaziale della California meridionale consigli sulle procedure di progettazione e test utilizzate per sviluppare missioni di successo. Abbiamo cercato di ridurre il rischio di fallimento, anche se lo sviluppo di tecnologie completamente nuove è intrinsecamente un processo rischioso", ha concluso Pellegrino.