Los ambiciosos planes chinos de estaciones espaciales de energía solar

Cuando varias organizaciones e institutos de investigación chinos anunciaron hace diez años que estaban estudiando la viabilidad de proyectos de energía solar espacial, muchos expertos sonrieron con cierta displicencia. Al fin y al cabo, los satélites de energía solar, conocidos por sus siglas en inglés como SPS (Solar Power Satellite) o SSPS (Space Solar Power Station), son uno de las grandes ideas de la era espacial que siguen en cajón desde hace décadas. La NASA estudió seriamente los SPS en los años 70 en plena crisis del petróleo y con la resaca del optimismo tecnológico de las misiones Apolo, llegando a la conclusión de que eran demasiado costosos y complejos para la época. En este siglo varias agencias espaciales, como la NASA o la JAXA japonesa, han acometido nuevos estudios de SPS. Los proyectos chinos parecían ser un simple análisis teórico más que nunca se haría realidad. Una década más tarde, ya nadie se ríe ante estos proyectos chinos.

Precisamente, hace unas semanas los medios de comunicación occidentales publicaron varias noticias sobre los planes chinos de construir enormes SPS en órbita geoestacionaria. En realidad, y como suele pasar con las noticias del programa espacial chino, los planes no tenían nada de nuevo y ya en 2021 habíamos escrito sobre ellos en Eureka. El plan de SPS de China sigue el esquema trazado en 2014 por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y la Agencia Espacial China (CNSA), que en su momento pasaba por construir primero en 2030 una estación prototipo de un megavatio de potencia y en 2050 una operativa capaz de generar un gigavatio. Los SPS chinos podrán usar la gran capacidad de carga del futuro cohete pesado CZ-9 —mínimo de 150 toneladas a LEO— que está previsto que debute en 2030. Como todos los proyectos de SPS, el concepto se basa en generar electricidad mediante enormes paneles fotovoltaicos y luego enviar la energía a la superficie terrestre mediante microondas o láseres.

Precisamente, en 2021 vimos una presentación de CASC donde se detallaba que uno de los objetivos del CZ-9 era la construcción de SPS en órbita. La estación geoestacionaria de energía solar experimental capaz de generar un megavatio de potencia, con masa de 660 toneladas y unas dimensiones de 600 x 300 metros, requeriría 17 lanzamientos del CZ-9. La estación de 2050 de un gigavatio de potencia con una masa de diez mil toneladas y una longitud de veinte kilómetros, un auténtico monstruo, requeriría 143 lanzamientos del CZ-9. Ahora bien, ¿cómo sería el diseño de estas estaciones solares?

Los detalles no se han concretado aún y todo dependerá del contratista —o contratistas— finalmente elegido. El principal proyecto de estación solar china de hace diez años era la MR-SPS (Multi-Rotary joint Solar Power Satellite) de CAST (China Academy of Space Technology), un organismo estatal a cargo de la construcción de los satélites chinos de mayor tamaño como la nave tripulada Shenzhou o los módulos de la Estación Espacial China. CAST está integrado en CASC, el conglomerado que funciona como contratista principal del programa espacial chino. MR-SPS era una estación de 11,8 kilómetros de longitud con una antena de transmisión de 1 kilómetro de diámetro. En 2022 los planes de CAST se actualizaron y detallaron y ahora incluyen el lanzamiento de un demostrador tecnológico a LEO a partir de 2026 con una potencia de 10 kilovatios. En 2030 se lanzaría un prototipo de estación SPS a la órbita geoestacionaria (GEO) de medio megavatio de potencia que requeriría más de un lanzamiento para ser ensamblado. Este prototipo sería seguido en 2035 de una estación solar piloto en GEO capaz de generar 20 megavatios y con una antena emisora de 100 metros de diámetro, un proyecto que ya necesitaría de múltiples lanzamientos del CZ-9 u otros cohetes pesados. Para 2050 sigue estando prevista la primera estación operativa en GEO, que tendrá una potencia de dos gigavatios y una antena emisora del orden de un kilómetro.

Además del desafío obvio de lanzar gran cantidad de cohetes gigantes para ensamblar una enorme estructura en GEO, un problema técnico de cualquier SPS son las juntas rotatorias. Al estar en GEO —o en otra órbita muy alta—, los SPS deben incluir una antena que apunte constantemente a la Tierra y un panel solar que apunte constantemente al Sol. El diseño más sencillo, como el de los SPS de la NASA de finales de los años 70, incluye un enorme panel monolítico que gira 360º para seguir al Sol y una sola antena de microondas que apunta a la Tierra. El problema de este diseño es que el voltaje y las intensidades en la junta rotatoria pueden ser muy difíciles de manejar. La MR-SPS de CAST de 2014 solucionaba parcialmente este problema introduciendo múltiples juntas entre los paneles en vez de una sola, una solución ya implementada con anterioridad de forma parecida en otros diseños de SPS estadounidenses, europeos o japoneses. En 2021 CAST actualizó su diseño de SPS con la MMR-SPS (Multiple Multi-Rotary joint Solar Power Satellite), con varios paneles solares independientes y una antena emisora más larga. Gracias a su diseño modular, la MMR-SPS es mucho más fácil de ensamblar que su predecesora. Eso sí, el haz de emisión ya no es circular, sino rectangular, complicando la construcción de la antena receptora en tierra.

Pero CAST no es el único organismo en China que está estudiando los SPS. En 2014, el mismo año que se publicó la MR-SPS de CAST, la Universidad Xidian de Xi’an propuso la estación SSPS-OMEGA (Orb-shaped Membrane Energy Gathering Array), con una potencia de dos gigavatios y una masa de 23 000 toneladas. OMEGA era una original estación solar de forma esférica con un diámetro de 8 o 10 kilómetros. La cubierta esférica estaría formada por paneles semireflectantes que permiten el paso de la luz por un lado y la reflejan por el otro, concentrando la luz solar en una zona de paneles solares con forma de hiperboloide. Este curioso diseño permite que ya no sea necesario apuntar al Sol constantemente, pero, a cambio, el apuntado del panel fotovoltaico y la antena emisora a la Tierra se hace algo más complejo y se sigue sin solventar el problema del alto voltaje en las juntas rotatorias. El proyecto OMEGA fue revisado en 2017 y en 2021. La última versión, OMEGA-III es estructuralmente más compleja que la primera variante, aunque sí que se reduce el problema de las juntas. El proyecto OMEGA no se limitó a hacer powerpoints y en 2022 se construyó un modelo a escala en el campus de la Universidad Xidian denominado Zhuri —’persiguiendo al Sol’— para ensayar los sistemas de transmisión de electricidad mediante microondas con una torre de 75 metros de altura y una antena de 200 kg.

Otro proyecto de SPS chino viene de la Universidad Aeroespacial de Shenyang y consiste en una estación con un diseño cilíndrico denominada SPS-CMCA (Cylindrical Modular Concentrator Array), de un gigavatio de potencia. El diseño cilíndrico, como el esférico de OMEGA, simplifica la orientación al Sol. La parte cilíndrica consiste en paneles que refractan la luz hasta una capa semicilíndrica interior con celdas fotovoltaicas. No es un diseño nuevo y ya en 2000 vimos uno similar en Estados Unidos. Otras propuestas de SPS han sido concebidas para dar energía a bases lunares o en la superficie de Marte, pero eso se aleja del objetivo de esta entrada.

Naturalmente, antes de que se hagan realidad estos proyectos tan increíblemente complejos deberán lanzarse satélites de demostración. Como comentábamos, según la propuesta de 2022 CAST quiere lanzar un satélite con un panel solar de 10 kilovatios y un generador de electricidad de tipo concentrador como el de la propuesta SSPS-OMEGA. Este satélite transmitiría la energía mediante un láser de 1 kilovatio y microondas, en este último caso con una antena de 2 x 2 metros de 4 kilovatios, a estaciones de tierra y a otro satélite situado a unos 50 kilómetros de distancia en la misma órbita. China está decidida a hacer realidad los sistemas SPS, aunque EE. UU. también está en la misma carrera. En las próximas décadas veremos si, finalmente, el sueño de las estaciones espaciales de energía solar se hace realidad o sigue siendo una meta inalcanzable para el futuro.

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