Una representación de cómo podría ser una central de energía solar espacial.(Crédito de la imagen: ESA)Salta a:
- 2040s-2050s: Granjas solares espaciales
- Segunda mitad del siglo XXI: Ascensores espaciales
- 2030s: Energía nuclear en la Luna
- 2070s-2120s: Viajes interestelares
La Semana Mundial del Espacio de este año, que se celebra entre el 4 y el 10 de octubre, celebra cómo la tecnología espacial nos ayuda en nuestra lucha contra el cambio climático en la Tierra, pero a veces también merece la pena mirar hacia fuera y ver lo que la tecnología puede ofrecernos a medida que nos expandimos por el espacio para aprovechar la energía y los mundos que hay ahí fuera.
Aquí destacamos cuatro tecnologías, examinamos los retos que plantean y damos alguna indicación de cuándo podrían llegar a hacerse realidad… si es que alguna vez lo hacen. Las estimaciones de tiempo no son necesariamente una predicción de cuándo podrían suceder, sino que pretenden dar una idea aproximada de cuánto trabajo queda por hacer en ellas.
2040s-2050s: Granjas solares espaciales
Actualmente, la energía solar proporciona algo más del 5% del suministro eléctrico total del mundo, pero podemos hacerlo mucho mejor.
El mejor lugar para sentir la energía del sol es el espacio, sin nubes que tapen la vista ni una atmósfera que absorba los rayos de nuestra estrella. Por tanto, un enorme conjunto de paneles solares tendría una visión sin obstáculos del sol, pero la parte complicada de esta idea tiene que ver con la construcción de un conjunto de este tipo en el espacio. Además, aunque lo consiguiéramos, ¿cómo haríamos llegar a la Tierra la energía solar obtenida?
En comparación con la mayoría de las tecnologías de esta lista, la transmisión de energía desde el espacio va por delante. En enero de 2023, el Space Solar Power Demonstrator, construido por Caltech, se puso en órbita terrestre. A bordo se encontraba un instrumento llamado MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment). MAPLE convirtió con éxito la energía solar en microondas y las envió a una estación receptora en Caltech, donde se convirtieron en electricidad. La potencia era muy baja, apenas milivatios, pero fue una prueba de concepto apasionante.
Imagen artística de cómo sería el sistema de energía solar espacial de JAXA si utilizara la transmisión por láser para transportar energía solar a la Tierra. (Crédito de la imagen: JAXA)En la actualidad, la Agencia Aeroespacial Japonesa (JAXA), en colaboración con intereses comerciales, está explorando su propio programa, que espera culminar en un parque solar capaz de producir un gigavatio de energía y transmitirlo a la Tierra. Sin embargo, construir una granja solar no es fácil.
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Un panel solar en el espacio, por encima de los efectos absorbentes de la atmósfera, recibe aproximadamente un kilovatio de energía por metro cuadrado (10 pies cuadrados) de sol. Sin embargo, los paneles solares no son 100% eficientes; los modelos comerciales disponibles actualmente tienen una eficiencia de sólo el 30%, lo que significa que un panel solar en el espacio puede producir de forma realista sólo 300 vatios por metro cuadrado. Para producir 1 gigavatio de energía, el equivalente a una central nuclear en la Tierra, se necesitaría un enorme conjunto de paneles solares de varios kilómetros de diámetro y una masa de 10.000 toneladas métricas. Si lo comparamos con la Estación Espacial Internacional, que tiene una masa de 419 toneladas métricas, vemos que se trata de una tarea de ingeniería de enormes proporciones.
Suponiendo que se pudiera construir un huerto solar en el espacio, se colocaría en órbita geosincrónica, a 35.786 km de la Tierra. El reto consistiría entonces en mantener el haz de microondas estrecho y centrado en el objetivo: no se querría que el haz de microondas se desviara y friera algo accidentalmente. Aunque sería más fácil dirigir el láser en lugar de las microondas, la energía láser puede ser absorbida por el vapor de agua de la atmósfera o bloqueada por las nubes, mientras que las microondas las atraviesan libremente.
Los láseres, sin embargo, podrían ser más adecuados para la transferencia de energía de espacio a espacio. Esto podría prolongar la vida de los satélites, por ejemplo, pero tendrían que construirse con algún tipo de receptor para aceptar el haz de energía láser entrante. También podríamos imaginar una red de granjas solares y satélites de retransmisión alrededor de la Luna, que transmitieran energía a través de láseres a una base lunar en la superficie.
Segunda mitad del siglo XXI: Ascensores espaciales
Se trata de un viejo concepto de ciencia ficción, concebido por primera vez por el científico ruso Konstantin Tsiolkovsky: en lugar de despegar en un cohete sobre una peligrosa columna de llamas, ¿por qué no viajar al espacio en un ascensor?
El diseño básico de un ascensor espacial parece sencillo. Un cable grueso se extiende desde un punto situado a menos de 10 grados del ecuador terrestre hasta el espacio. Las fuerzas que actúan sobre el cable son feroces: la gravedad terrestre tira de él hacia abajo y la fuerza centrífuga de una masa situada en el extremo del cable, en órbita terrestre, tira de él en sentido contrario, manteniéndolo tenso. Sin embargo, el esfuerzo y la tensión de este cable serían tan grandes que tendría que estar hecho de un material 50 veces más resistente que el acero. El único material suficientemente resistente son los nanotubos de carbono, que se «cultivan» a partir de un proceso de deposición química de vapor. El problema es que, como su nombre indica, los nanotubos de carbono son pequeños, y los más largos que se han cultivado miden unos 14 centímetros, lo que supone una gran diferencia con la longitud de 100.000 kilómetros de un ascensor espacial.
Supongamos, sin embargo, que se encuentra la manera de fabricar nanotubos más largos y producirlos en masa. Una vez que dispongamos de los materiales, Stephen Cohen, del Vanier College de Quebec (Canadá), autor de «Getting Physics: Las leyes de la naturaleza como guía para la vida» y experto en diseño de ascensores espaciales, cree que la fase de diseño posterior llevaría de cinco a diez años, en paralelo a la maduración del material del cable.
Ilustración artística de una estación central de un ascensor espacial en el espacio mientras una cabina de transporte asciende por la línea hacia la plataforma orbital. Los paneles solares cercanos proporcionan energía. (Crédito de la imagen: Obayashi Corp.)
«El cable se desenrollaría desde la órbita geoestacionaria y acabaría anclado al puerto terrestre», explicó Cohen a universeexpedition.com. «La nave que lo desenrolla utilizaría combustible para ganar altitud y convertirse en el ancla del extremo lejano, a unos 100.000 kilómetros de distancia. Otra posibilidad es que otra nave transporte la parte del cable por encima de la órbita geosíncrona mientras la nave original asume el papel de geo puerto, que es la verdadera central terrestre para las operaciones a largo plazo. Este proceso de despliegue podría durar fácilmente un año».
Mientras esperamos a los nanotubos de carbono, Zephyr Penotre, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), y Emily Sandford, de la Universidad de Columbia (Nueva York), creen que podríamos ponernos manos a la obra para construir un ascensor espacial desde la Luna con la tecnología actual. Debido a la menor velocidad de giro de la Luna y a su menor gravedad, razonan que la tensión que sentiría un ascensor lunar no sería tan grande como la de un ascensor que subiera desde la Tierra y que polímeros de carbono como el Zylon servirían para ello.
Penoyre y Sandford llaman a su concepto «línea espacial». Mientras que un ascensor desde la Tierra sería bastante voluminoso y podría transportar varias cabinas simultáneamente, la línea espacial sería un fino cable con una masa total de 40 toneladas métricas. Anclado en la superficie lunar, colgaría hacia la Tierra, deteniéndose en algún punto de la órbita geosíncrona. Así, no tocaría la Tierra ni la sometería a la tensión destructiva que ello supondría.
La idea es que una misión a la Luna se lance en órbita geosincrónica, se encuentre con la línea espacial y recorra el resto del camino hasta la Luna, o hasta una base en el punto de Lagrange Tierra-Luna, donde la gravedad de la Tierra y la de la Luna se equilibran. Esto reduciría en un tercio la cantidad de combustible necesario para llegar a la Luna; la misión seguiría teniendo que salir del pozo gravitatorio de la Tierra, pero la línea espacial funcionaría con energía solar.
Penoyre y Sandford calculan que un prototipo costaría miles de millones de dólares, pero a largo plazo ahorraría dinero si queremos asentarnos permanentemente en la Luna.
Cohen mira aún más lejos, a Marte. «Creo que una primera aventura en Marte con humanos precede a la construcción del ascensor espacial, pero yo diría que no es posible una colonización sostenible de Marte sin una infraestructura como el ascensor espacial», afirmó. «Y así, las fases de diseño y construcción del ascensor espacial probablemente deberían coincidir con los primeros humanos en Marte».
Actualmente, no hay planes concretos para que los humanos viajen a Marte. Mucho podría depender de cómo se desarrolle el programa lunar Artemis de la NASA. Si se puede construir una base lunar y dotarla de tripulación para la década de 2030, los astronautas podrán aprender las habilidades que necesitarán para sobrevivir en el Planeta Rojo, pero primero tenemos que aprender a vivir en la Luna. Y para ello necesitaremos energía, como descubriremos a continuación.
2030s: Energía nuclear en la Luna
La Luna está unida marealmente a la Tierra, lo que significa que siempre vemos su misma cara, el conocido «Hombre en la Luna». Sin embargo, no te engañes pensando que la Luna no gira: lo hace, al mismo ritmo que gira alrededor de nuestra Tierra, y por eso mantiene siempre la misma cara dirigida hacia nosotros. Tarda algo más de 27 días -unas cuatro semanas- en girar una vez, lo que significa que (casi) toda la Luna ve dos semanas de día y dos semanas de noche. La excepción son algunas zonas muy cercanas a los polos, que pueden ver un 80% de luz diurna. Sin embargo, si una base lunar funcionara con energía solar, necesitaría un 100% de luz diurna, por lo que se necesita una fuente de energía alternativa.
Naciones y agencias espaciales de todo el mundo se apresuran ahora a desarrollar los primeros reactores nucleares de fisión para la Luna. En febrero, la NASA y el Departamento de Energía de EE.UU. seleccionaron tres propuestas de diseño para un reactor de fisión que volará en una futura misión Artemis. El reactor tiene la especificación de producir 40 kilovatios durante al menos 10 años en la superficie lunar.
Mientras tanto, los rusos y los chinos han anunciado que están planeando conjuntamente una Estación Internacional de Investigación Lunar con un reactor nuclear, que se lanzará entre 2033 y 2035. Sin embargo, admiten que aún no han encontrado la forma de refrigerar el reactor.
«El principal problema es qué hacer con todo ese calor residual, ya que no hay aire en la Luna para convectarlo», explica a universeexpedition.com Simon Middleburgh, del Nuclear Futures Institute de la Universidad de Bangor (Gales).
Middleburgh colabora con la Agencia Espacial Británica y Rolls-Royce en el desarrollo de un reactor nuclear de fisión que podría volar a la Luna en una futura misión. Rolls-Royce tiene una gran experiencia en reactores nucleares, ya que equipa con ellos los submarinos nucleares del Reino Unido.
«El objetivo para la producción de energía del reactor sería del orden de 100-300 kilovatios en energía combinada de calor y electricidad, ambas de gran utilidad allí arriba [en la Luna] », dijo Middleburgh. «Se trata de una cantidad enorme de energía en comparación con misiones anteriores, y a medida que crezca el emplazamiento [para una base lunar] , es posible que queramos construir un segundo o tercer sistema que también garantice el suministro de energía. Pero no construiremos sistemas de 100 megavatios a corto plazo».
2070s-2120s: Viajes interestelares
La misión espacial más rápida de la historia, la New Horizons de la NASA, tardó nueve años en llegar a Plutón, a una distancia de 34 unidades astronómicas (UA) del sol. Una unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol. La estrella más cercana al Sol es Próxima Centauri. Está a 268.779 UA (4,2 años-luz) del Sol. Tras pasar junto a Plutón, New Horizons alcanzó una velocidad de 84.000 km por hora (52.000 mph) y tardaría unos 80.000 años en alcanzar la distancia de Próxima Centauri.
Está claro que tendremos que encontrar una forma más rápida de viajar entre las estrellas, pero ya hay gente trabajando en ello. En los años setenta, los miembros de la Sociedad Interplanetaria Británica desarrollaron el Proyecto Dédalo, que consistía en el diseño de una nave estelar de dos etapas propulsada por fusión nuclear, pero sin tripulación, que podría alcanzar el 12% de la velocidad de la luz.
En 2016, la Fundación Breakthrough inició el Proyecto Starshot, cuyo concepto es impulsar una flota de diminutas naves espaciales, llamadas StarChips, unidas a velas de luz que son impulsadas hasta el 20% de la velocidad de la luz mediante un potente láser. Llegarían a Próxima en décadas en lugar de siglos. Sólo hay un problema: la potencia del láser debe alcanzar los 100 gigavatios, el equivalente a 100 centrales nucleares.
Para resolver este problema, podríamos combinar tecnologías futuristas: las granjas solares que podrían construirse en órbita para aprovechar la energía solar podrían utilizarse en su lugar para alimentar los láseres. Es toda la tecnología que tenemos ahora, pero a una escala muy superior a la actual. Las estrellas están ahí esperándonos, pero parece que tendrán que esperar un poco más.
Ahora mismo, todo lo que tenemos es la Tierra.
Este artículo forma parte de una serie especial de universeexpedition.com con motivo de la Semana Mundial del Espacio 2024, que se celebra del 4 al 10 de octubre. Vuelve cada día para ver un nuevo artículo sobre cómo la tecnología espacial se cruza con el cambio climático.
