Il concetto di Space Solar Power System è stato immaginato per la prima volta dal Peter Glaser, negli Stati Uniti del 1968. La sua idea era quella di dispiegare enormi pannelli solari nello spazio insieme a un'antenna molto grande per trasmettere l'energia raccolta come microonde. L'energia solare sarebbe stata convertita in elettricità, poi in microonde, e trasmessa a un'antenna ricevente a terra. La ricevente avrebbe poi riconvertito le microonde in elettricità pronta all'uso. Incoraggiata dal successo del programma Apollo, la NASA negli Stati Uniti iniziò ad esplorare metodi per costruire strutture spaziali su larga scala. L'interesse per l'idea crebbe in tutto il mondo quando la prima crisi energetica colpì, diversi anni dopo. Sono stati proposti vari concetti di SSPS nel corso dei decenni. Tuttavia, molte ricerche si sono arenate a causa di vincoli finanziari. Il Giappone è uno dei pochi paesi che sta ancora lavorando su concetti e tecnologie SSPS.

Vantaggi e Sfide

A differenza delle fonti di energia rinnovabile terrestri, l'SSPS fornisce energia 24 ore al giorno in tutte le condizioni atmosferiche; inoltre, è importante ricordare che l'irradiazione solare nello spazio è del 40% più forte di quella sulla Terra; senza contare che l'energia può essere diretta a diversi luoghi su richiesta, eliminando la necessità di linee elettriche. Si tratta quindi di una tecnologia particolarmente appetibile, oltre che "green": infatti, non emette gas serra e non produce rifiuti pericolosi. D'altra parte, lanciare carichi voluminosi nello spazio non è semplicissimo, né particolarmente economico ed ecologico; soprattutto, bisogna pensare che questo tipo di tecnologia necessiterà di operazioni in orbita e manutenzione per molti anni e l'ambiente spaziale non è propriamente "accogliente". Inoltre, non si conoscono ancora gli effetti delle microonde sull'atmosfera.

Tecnologia wireless a microonde

Come è evidente dai paragrafi precedenti, la tecnologia wireless a microonde è una delle più studiate. Le microonde sono una forma di onde elettromagnetiche in una gamma di lunghezza d'onda spesso utilizzata per le comunicazioni, da 0,1 mm a 10 cm (frequenze tra 0,1 e 100 GHz). Gli array di antenne composti da numerosi elementi possono essere utilizzati per trasmettere energia elettrica dallo spazio al suolo sotto forma di microonde. Controllando e sincronizzando le fasi e le ampiezze delle microonde inviate da ogni elemento dell'antenna dell'array, si può produrre il fascio desiderato che può essere trasmesso in qualsiasi direzione. Utilizzando queste proprietà uniche, l'SSPS basato sulle microonde è un sistema spaziale che converte la luce solare in microonde, trasmette l'energia alla ricevente sulla Terra, che la riconverte in elettricità. Il team di ricerca giapponese sull'SSPS ha lavorato con il Japan Space Systems per far progredire la tecnologia per il controllo della trasmissione di potenza wireless a microonde. È stata condotta una dimostrazione a terra nella banda dei 5,8 GHz ed il modello di prova è stato fabbricato per valutare la precisione con cui un puntamento del fascio di microonde può essere diretto. Il test è stato anche progettato per simulare la deformazione dell'enorme pannello dell'antenna a causa della distorsione termica e della coppia del gradiente di gravità nello spazio. Possiamo vedere il progetto in Figura 1.

Tecnologia wireless laser

Il termine "LASER" sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni). I laser sono una forma di luce artificiale con una fase e una lunghezza d'onda uniformi. Una proprietà fondamentale di un laser è un basso angolo di divergenza che si diffonde molto poco man mano che si proietta più lontano dalla sua sorgente. I laser sono anche abbastanza piccoli da poter essere inseriti in una strumentazione compatta, il che li rende ideali per i sistemi di comunicazione ottica inter-orbita e altri sistemi per comunicare su lunghe distanze. L'SSPS Laser-based usa queste proprietà uniche per inviare energia solare dallo spazio alla Terra, dove viene convertita in elettricità. La trasmittanza dei raggi laser dipende dalla loro lunghezza d'onda. Il team di ricerca dell'SSPS ha studiato una tecnologia di trasmissione di energia wireless laser che opera a una lunghezza d'onda di circa 1070 nm (vicino all'infrarosso). In Figura 2 possiamo vedere il concept di un test effettuato a terra.

Figura 2: Dimostrazione a terra su una trasmissione di potenza wireless laser verticale di 200 metri

I laser hanno alcune caratteristiche di cui bisogna tenere conto, per usarli come mezzo di trasferimento di energia:

• non possono penetrare le nuvole o la pioggia
• sono suscettibili ai disturbi atmosferici
• richiedono severi requisiti di sicurezza per proteggere la vista umana

Il team di ricerca JAXA ha lavorato su test di trasmissione a terra, in questo caso, con l'obiettivo di ottenere un controllo di guida del fascio ad alta precisione anche sotto l'effetto di disturbi atmosferici. Sono stati condotti test di trasmissione laser orizzontale di 500 metri, dimostrando che il fascio poteva essere controllato con una precisione di 1 μrad quando i disturbi atmosferici erano relativamente deboli. Tuttavia, le fluttuazioni dell'angolo di arrivo del laser non potevano essere adeguatamente controllate sotto il sole intenso, una delle principali fonti di disturbi atmosferici vicino al suolo.

Alcune sfide per rendere questa tecnologia pienamente funzionante:

• Sviluppare un laser a fibra ad alta potenza qualificato per lo spazio
• Aumentare l'efficienza della conversione elettricità-laser
• Aumentare l'efficienza della conversione laser-elettricità
• Migliorare la velocità di risposta alle fluttuazioni
• Elaborare un design ottico ottimale per i laser ad alta potenza
• Sviluppare metodi per prevenire le perdite di efficienza indotte dal tempo

Tecnologia di assemblaggio di strutture su larga scala

Può sembrare banale, ma costruire qualcosa che permetta a queste tecnologie di lavorare nello spazio richiede delle strutture molto grandi. L'SSPS da 1 GW richiederà la costruzione di una struttura gigantesca, fino a diversi chilometri in orbita geostazionaria a circa 36.000 chilometri sopra la Terra. La più grande struttura nello spazio mai costruita da mani umane è la Stazione Spaziale Internazionale, larga 100 metri e del peso di 340 tonnellate, che opera a un'altitudine di circa 400 chilometri. Essendo la ISS troppo grande per essere lanciata intera nello spazio, fu trasportata nello spazio a pezzi, usando i razzi russi Proton e gli Space Shuttle, per essere poi assemblata lì. Similmente alla ISS, l'SSPS 1-GW verrebbe assemblato pezzo per pezzo nel corso di ripetuti lanci e attracchi. La costruzione della struttura da parte dei membri dell'equipaggio sarebbe proibitivamente costosa e non sicura. Una fase chiave del programma sarà quella di sviluppare sistemi robotici in grado di assemblare autonomamente tutti i componenti della grande struttura orbitale. Se la struttura deve essere un ordine di grandezza più grande della ISS, come ipotizzato, dovremo anche sviluppare le innovazioni scientifiche e tecnologiche necessarie per soddisfare i requisiti concorrenti di leggerezza e rigidità. [...]