Es difícil llevar un cable a una base de operaciones avanzada, donde necesitan mucha energía y, a menudo están situados en lugares sin fácil acceso a la electricidad. Las fuerzas estadounidenses no pueden construir un campo de paneles solares cada vez que se instalan en lugares remotos, y los combustibles fósiles pueden ser caros y difíciles de transportar al terreno.
Lo que se necesita es una fuente de energía que se pueda aprovechar desde cualquier lugar de la Tierra con una infraestructura mínima, para lo que el Air Force Research Laboratory (AFRL) de Investigación de la Fuerza Aérea cree que podría tener la solución: una constelación de paneles solares montados en satélites que puedan recoger energía en órbita y transmitirla a la Tierra. Desde cualquier lugar del planeta se podría conectar a esa fuente de energía con equipos móviles, lo que permitiría alimentar toda una base de operaciones avanzada o simplemente cargar una radio.
Parece ciencia ficción, pero los ingenieros de la AFRL dicen que es posible, y están trabajando para hacer una demostración tecnológica en 2024.
La iniciativa se llama Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR).
«SSPIDR es una especie de cartera de desarrollo tecnológico. En última instancia, nuestro objetivo es la transmisión de energía solar a RF [radiofrecuencia], es decir, tomar la energía del sol que recogemos en el espacio, convertirla en RF en la órbita y transmitirla a la Tierra, donde se convertiría de nuevo en energía mediante una antena rectificadora o rectenna», dijo el ingeniero jefe de SSPIDR, Mandy Self, a C4ISRNET.
El AFRL cree que eso es posible, pero llegar a ello será costoso. El SSPIDR adopta un enfoque gradual, madurando varios elementos tecnológicos del sistema teórico y conduciendo a tres demostraciones. El buque insignia es Aracne, que lleva el nombre de una mujer que se convirtió en la primera araña, según la mitología griega, que consistirá en una demostración en órbita en 2025.
El principal contratista de SSPIDR es Northrop Grumman. La empresa recibió una adjudicación de 100 millones de dólares centrada en la conversión de energía solar a RF. El AFRL también está trabajando con otras empresas en células solares de alta eficiencia, estructuras espaciales desplegables, etc., dijo Self.
Algunas de las tecnologías implicadas ya están maduras, dijo Self, pero es necesario miniaturizarlas. De hecho, la miniaturización es uno de los principales retos para hacer realidad el SSPIDR. El tamaño final del sistema en el espacio sigue siendo una incógnita, pero depende en gran medida de lo bien que el laboratorio pueda miniaturizar los distintos componentes y de lo que pueda condensar la estructura total en una carga útil de lanzamiento. En la actualidad, algunas de las tecnologías disponibles son demasiado pesadas para utilizarlas en una misión espacial, por lo que gran parte del esfuerzo del AFRL consiste en reelaborar esas soluciones para reducir su masa y tamaño.
Lo que nos lleva al aspecto más importante de cualquier esfuerzo por recoger energía del sol: Los paneles solares. Aunque la tecnología siempre está mejorando, suele haber una correlación entre la superficie del panel solar y la cantidad de energía que proporciona. Para alimentar una pequeña señal de tráfico, quizá baste con un panel de 1 pie cuadrado. El SSPIDR necesitará mucha más potencia y paneles que eso.
«Cuando se trata de la conversión solar-RF, más grande es siempre mejor, así que cuanto más podamos poner, mejor», dijo Self.
Rachel Delaney, responsable de comunicaciones del SSPIDR, explicó que el objetivo de la AFRL es poder generar 1.000 kW de potencia, suficiente para hacer funcionar una base de operaciones avanzada, según un estudio realizado por el Laboratorio de Investigación Naval. Para contextualizar, un satélite GPS III cuenta con cuatro matrices de satélites repartidas en sus 48 pies de envergadura que, en conjunto, generan unos 4.500 vatios de potencia. El SSPIDR tendrá que aumentar la eficiencia de los paneles solares y la superficie de sus matrices para generar la cantidad de energía que buscan los ingenieros.
Para ello, el AFRL quiere usar paneles solares plegables que puedan condensarse en una carga útil relativamente pequeña para el lanzamiento y luego desplegarse una vez en órbita. No es un enfoque inusual para los satélites, pero la escala de los paneles solares de SSPIDR podría ser novedosa.
El AFRL acaba de inaugurar un nuevo laboratorio de estructuras desplegables en la Base Aérea de Kirtland (Nuevo México), que ayudará a los ingenieros a desarrollar conjuntos solares que no sólo sean lo suficientemente grandes como para generar 1.000 kW, sino que también puedan retraerse eficazmente para el lanzamiento. La nueva instalación tiene espacio suficiente para que el equipo despliegue un conjunto solar completo mientras compensa la gravedad de la Tierra, ayudándoles a simular el entorno espacial de gravedad cero en el que operará el satélite. Esto también permitirá a la AFRL construir todo el satélite con materiales más ligeros y débiles, que quizá no resistan la gravedad terrestre, pero que funcionarán suficientemente en órbita.
Una importante innovación para ahorrar espacio es un nuevo «panel sándwich» diseñado por el AFRL que recoge la energía solar y la convierte en RF.
«Una cara es la solar, otra la de radiofrecuencia, y la magia ocurre en medio», explica Self. «Y estamos intentando que sea lo más fino y ligero posible».
En el lado terrestre está la rectenna, que tomará la señal de radiofrecuencia emitida desde el espacio y la convertirá en energía utilizable. Esta tecnología es increíblemente flexible, afirma Self. Las rectenas más grandes pueden instalarse en todos los edificios de una base de operaciones avanzada, suministrando una fuente continua de energía desde el espacio. Pero también puede utilizarse a una escala mucho más pequeña. Tal vez, explicó Self, se podría instalar una rectenna más pequeña en las tiendas de campaña de los soldados, permitiéndoles cargar sus radios y otros dispositivos electrónicos mientras están en el campo. El AFRL ha hablado incluso de un diseño sencillo, similar a un paraguas, que puede llevarse al campo: basta con desplegarlo y ya hay energía.
Cualquiera que se encuentre en la trayectoria del haz puede acceder a esa energía si tiene el equipo adecuado, sin necesidad de cables. Y el haz es grande. El tamaño final dependerá del producto final que el AFRL sea capaz de desarrollar, pero por el momento los ingenieros esperan que proporcione una manta de cobertura que escale decenas de kilómetros. Y eso es con un solo satélite. El AFRL prevé una constelación completa de 12 satélites, denominada Scorpion, en órbita terrestre media, para transportar energía a cualquier punto del planeta.
El AFRL también se ha asociado con el Laboratorio de Investigación Naval, que estaba trabajando en un proyecto similar, que ha enviado su propio proyecto de demostración, el Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module (PRAM) al espacio a bordo del avión espacial secreto X-37B en mayo de 2020. El PRAM está probando un panel de conversión de energía solar a radiofrecuencia desarrollado por la Marina.
El proyecto de demostración de la AFRL, Arachne, irá más allá al transportar la radiofrecuencia a otro lugar. El experimento pondrá a prueba el primer panel sándwich de Northrop Grumman en el espacio. Se espera que el primer panel se entregue en el año fiscal 2024, con un lanzamiento a finales de ese año o a principios de 2025.
Fte. C4ISRNET
