¿Por qué los colectores solares en los conceptos de energía solar espacial no se colocan más cerca del sol?

He estado pensando en la energía solar espacial durante bastante tiempo, en cuanto a cómo podría ser más rentable que la energía solar terrestre. De todos los conceptos que he visto, el principal problema que siempre veo es la conversión de la mayoría de la energía solar en energía de microondas para enviarla de vuelta al suelo, para reconvertirla en energía eléctrica, y tener su único beneficio por encima de la atmósfera. para obtener una energía solar más consistente. Entonces, aquí está el pensamiento que tuve.

  1. ¿Por qué los paneles solares no se colocan más cerca del sol donde el flujo solar es MUCHO mayor? (a 2 millones de kilómetros del Sol, el flujo solar es casi 10 000 veces mayor que el flujo experimentado en la Tierra, lo que significa que se pueden extraer grandes cantidades de energía con paneles más pequeños) El espacio ofrece la ventaja de poder colocar colectores mucho más cerca de la fuente de energía, ¿la principal razón para no hacer esto es el problema de redirigir esta energía a la Tierra? ¿O ser capaz de construir paneles solares capaces de manejar la enorme cantidad de energía?
  2. ¿Por qué la energía solar capturada de los satélites en los satélites de energía solar no se transfiere al suelo ópticamente? (esencialmente reflejando la luz solar al suelo en lugar de convertirla en microondas) Me imagino que la energía se perdería por dispersión, pero ¿no sería la eficiencia de enviar energía óptica más alta que convertirla en microondas? (ya que solo se utiliza un proceso de conversión)

Según los cálculos que he hecho, los principales problemas parecen ser transmitir la energía del satélite cercano al sol al satélite cercano a la Tierra y garantizar un enlace constante entre los dos. Estaba pensando que se podría usar un enlace óptico (usando el satélite cerca del Sol para que sirva como una lente para enfocar la luz del sol en el satélite que orbita la Tierra), pero no sé qué tan práctico es, ya que las comunicaciones láser para el espacio profundo todavía no han sido construidos. Aún así, dado que el flujo solar es mucho mayor, la red inicial podría configurarse utilizando cubesats lanzados desde la ISS utilizando el sistema Nanoracks.

¿Ha sido esto considerado por otras personas? Y si se desechó, ¿por qué se desechó?

Hay un espejo en la luna en el que podemos hacer rebotar un rayo láser (para medir la distancia). Siempre me había preguntado cómo podían apuntar el rayo láser con tanta precisión desde tan lejos como para golpear un pequeño espejo. Luego escuché decir que el 'haz angosto' de luz láser se extenderá hasta alcanzar el tamaño de un campo de fútbol cuando llegue a la luna. Y es por eso que sospecho que no será práctico enviar energía a grandes distancias (incluso la distancia entre la Tierra y la Luna sería problemática, interplanetaria, fuera de discusión). Al menos hasta que tengamos láseres con haces más ajustados.
Ah, y... "...a 2 millones de kilómetros del Sol..." ..casi todos los materiales que pudimos hacer, se habrían derretido.
¿Se podría usar una lente para contrarrestar la divergencia del haz?
Tengo que ser honesto y decir que no lo sé con certeza. Sospecho que hay factores en la física (o al menos en la óptica) que lo harían imposible. (Este es un tema en el que he pensado durante mucho tiempo, pero para el cual no estoy capacitado y no he tenido 'aportes de expertos').
Un satélite en una órbita más cercana a la tierra solo estará en condiciones de transmitir energía durante una fracción de su año, pasará la mayor parte de su tiempo en el lado más alejado del sol, para enviar energía continua necesitaría varios satélites. Si el satélite orbita alrededor de la tierra, solo necesita uno.
Bueno, el Sol ya está por allá y explota su energía hacia nosotros. Nuestro pequeño satélite insignificante a su alrededor oa nuestro alrededor no podría hacer mucha diferencia. La energía solar espacial a la Tierra es un poco..., bueno, eso tal vez se base en una opinión, así que me lo saltaré.
@ user11377: solo en teoría. El problema es la precisión: el "láser lunar" no alcanza el tamaño de un campo de fútbol porque fue diseñado así. Lo hace porque la lente, a pesar de ser tan precisa como podríamos hacerla, todavía es lo suficientemente imprecisa como para causar tal dispersión.
@GdD podría colocar el satélite en Sun-Earth L1, y permanecería más o menos en el mismo lugar, aunque con un flujo solar de solo ~ 1.02x que en / cerca de la Tierra.
Seguro @costrom, sin embargo, realmente no aborda la pregunta, que está mucho más cerca.

Respuestas (4)

Estas son realmente dos preguntas:

  1. ¿Cuál es el mejor lugar para colocar la recolección de energía solar en la línea entre el Sol y la Tierra?

  2. ¿Cuál es la mejor longitud de onda para usar para la transmisión de energía a la Tierra?

Para el #2, las microondas atraviesan las nubes. La luz visible no. Es por eso que casi siempre verá la transmisión de microondas utilizada en los conceptos de energía solar espacial. Recuerde que la razón fundamental para considerar la energía solar espacial, lo que parece extraño dado que nuestra atmósfera es transparente a la mayor parte de la energía del Sol, es que no se obtiene energía solar por la noche y las nubes pueden reducirla drásticamente. . Si usa luz visible para transmitir la energía, entonces ha perdido la segunda ventaja (así como parte de la primera ventaja en las noches nubladas).

Hay otras ventajas de las microondas, como el hecho de que los colectores de tierra pueden tener un costo mucho más bajo (cables y diodos en comparación con los paneles solares), y la longitud de onda relativamente larga permite una antena de malla de alambre en su mayoría transparente para el colector de tierra, lo que permite cultivos bajo el colector, o incluso paneles solares.

Para el # 1, si desea una energía solar más concentrada en su colector, puede hacerlo con espejos sin tener que acercarse al sol. De hecho, existen conceptos que hacen eso, ya que las células fotovoltaicas pueden ser más eficientes con una mayor insolación, y los sistemas solares térmicos requieren una alta concentración para cualquier tipo de eficiencia decente.

Ahora, en cualquier lado, nos queda el límite de difracción de qué tan grandes deben ser los reflectores para recolectar la energía solar en el lado de entrada y para enfocar la energía en un colector en el suelo en el lado de salida. Sí, su concentrador/colector puede hacerse más pequeño a medida que se acerca al Sol, pero ahora su antena de transmisión necesita hacerse más grande para poder enfocarse en el colector del mismo tamaño en la Tierra. Si está convirtiendo la luz en microondas, querrá estar más cerca de la Tierra, ya que las antenas de microondas tienen que ser más grandes en el mismo límite angular que para la luz, debido a la mayor longitud de onda. Si está convirtiendo luz en luz (por lo que no necesita hacer ninguna conversión de energía, solo use espejos), entonces es un lavado, por lo que lo coloca cerca de la Tierra ya que es más fácil llegar allí.

El problema de la difracción tiene que ver con que el Sol es grande, no una fuente puntual. Pero si se coloca cerca un reflector del tamaño de un kilómetro, entonces, desde una distancia modesta, el reflector será una fuente puntual, ¿verdad? Entonces, un reflector secundario podría enfocar esa luz en un punto arbitrario.

En realidad, este es un concepto bastante popular en la ciencia ficción, aunque por lo general no se acercan tanto al Sol. Por lo general, ignoran convenientemente al elefante en la habitación, que es la forma de devolver dicho poder a la Tierra. Tiene razón, la única forma razonable de hacer esto es que se transmita a través de algún tipo de láser. En teoría, es posible tener un láser muy enfocado, pero tendría que ser muy grande, mucho más grande que cualquier cosa que tengamos ahora. He visto que para un enlace de comunicación de Marte a la Tierra, que está aproximadamente a la misma distancia que Mercurio a la Tierra, por ejemplo, el tamaño del rayo láser sería del orden de una región de EE. UU., como la región suroeste, o tal vez el tamaño de los países europeos (los más grandes).

Aún así, sospecho que esto eventualmente podría considerarse, pero no es realmente práctico a corto plazo. La transmisión de microondas podría ser posible desde la órbita terrestre, razón por la cual ese concepto se discute mucho más que un sistema muy cercano al Sol.

Pensé que la divergencia del haz es un problema solo cuando el haz se ha alejado mucho del foco. ¿Qué pasa si el foco se coloca cerca de la tierra? Por supuesto, para hacer eso, la lente tendría que fabricarse con mucha precisión, lo que puede no ser posible. ¿Alguien sabe cuál es la tolerancia más estricta en la curvatura de la lente?
Si observa los láseres, en realidad hay lentes en ellos, o al menos lo mismo. Una lente no puede corregir el haz mejor de lo que lo haría aumentar el tamaño de la cámara láser, es un efecto relacionado con los límites de difracción.
Un enfoque más razonable es utilizar una gran flota de satélites con espejos que crearían segmentos de una lente de espejo que enfocaría la luz del sol cerca de la Tierra, donde otro conjunto de satélites la reflejaría/transmitiría hacia la Tierra. Un problema: los espejos serían velas solares bastante eficientes y bastante indeseables; mantener los satélites en una órbita fija sería algo complicado.

Dinero

...esa es la razón. Eso y el hecho de que necesitarás poner más energía para poner esto en órbita de lo que jamás recuperarás.

Llevar 1 kg a la órbita terrestre baja cuesta entre $ 3 800 y $ 13 000.

Llevar 1 kg a la Órbita de Transferencia Geoestacionaria cuesta entre $ 12 500 y $ 25 000.

Llevar cualquier cosa a una órbita cercana alrededor del Sol será mucho más costoso que eso.

La energía necesaria para poner este supuesto colector de energía en esa órbita será mucho más de lo que jamás podrá reunir.

Y luego, como ha señalado la gente, no podemos recuperar la energía que acumula porque no importa qué tipo de radiación use, se dispersará y se volverá muy débil.

Al final, es mucho más eficiente usar todo ese dinero para construir los colectores de energía aquí en la Tierra.

Esa es una respuesta a una pregunta diferente.
En realidad, la pregunta comienza con "He estado pensando en la energía solar espacial durante bastante tiempo, en cuanto a cómo podría ser más rentable que la energía solar terrestre". En resumen: no puede porque a) cuesta una gran cantidad de dinero en efectivo solo para poner las cosas en órbita b) la energía que necesita poner no se le devolverá y c) no puede llevar la energía a la Tierra , por lo que no puede obtener ingresos de ello. Así que toda la premisa de la pregunta (que los colectores de energía orbitales serían más rentables) es totalmente discutible porque desde la perspectiva del ciclo de vida no pueden ser eso.
a) A precios corrientes, sí. Estos estudios siempre tienen como parte de su cálculo a qué $/kg LEO podrían alcanzar el punto de equilibrio. Los vehículos de lanzamiento reutilizables ofrecen la posibilidad de costos de lanzamiento mucho más bajos. b) No es cierto. La energía invertida puede ser devuelta. Es el dinero lo que está en cuestión. c) No es cierto. La transmisión de energía es la única parte que es completamente factible con la tecnología existente. Sus declaraciones son demasiado amplias. Personalmente, tengo serias dudas de que la energía solar espacial alguna vez sea rentable, pero sus declaraciones absolutas son simplemente insostenibles.
Lo siento, pero no tienes que lidiar conmigo... es la física lo que debes tratar de demostrar que está equivocado aquí. Física y economía. Con los precios actuales para llevar cosas al espacio, y con la tecnología actual de transferencia de energía, la energía generada en el espacio es solo una pérdida de dinero. Constrúyalo en la Tierra y podrá construir muchos más colectores de energía por el mismo dinero que no tiene ningún sentido llevarlos al espacio. El aumento de la afluencia no compensa las pérdidas que toma tanto en dinero como en energía para llevarlos allí.
Llevar cosas a la órbita del Sol es solo un poco más costoso que llevarlo a GEO, y una vez que obtienes la órbita lo suficientemente elíptica para acercarse a la órbita de Venus o Marte (que no es mucho más costosa), puedes comenzar a usar la asistencia de la gravedad para al máximo y obtener órbitas bastante arbitrarias por una pequeña fracción del costo. Sin embargo, creo que el colector de energía debería poder funcionar como una vela solar, por lo que el costo real del lanzamiento sería a una órbita de 1000 km donde puede desplegarse y seguir volando "gratis".
suspiro Permítanme señalar nuevamente cuál es la pregunta original: "cómo [la energía solar espacial] podría ser más rentable que la energía solar basada en tierra". No puede. Claro, puede obtener más energía para llegar al colector y, si pudiera cosechar eso, significaría más ingresos por unidad. Sin embargo (!) ... eso es completamente aniquilado por el costo inmensamente mayor por unidad de llevarlo al espacio y las pérdidas en la transmisión. Para hacer una analogía: no importa si en Liberia puedes conseguir una lata de coca cola gratis. El costo de enviarse a Liberia, o la cola para usted, anulará cualquier ganancia de este tipo.
No estoy convencido de que la energía utilizable exceda la energía necesaria para construir y operar las versiones que orbitan la Tierra; me gustaría ver algunos números. Podría estar cerca. Pero estoy de acuerdo en que los costos matan el potencial de rentabilidad. Los costos de lanzamiento se reducirán más, pero también lo harán los costos del almacenamiento de energía y solar basado en la Tierra. Lástima que los elementos de energía emitidos pierdan tanto debido a la ineficiencia, o podríamos estar hablando de energía emitida desde granjas solares en los soleados desiertos australianos hacia arriba, a través y hacia abajo para alimentar la industria europea o norteamericana durante la noche. Cuantas menos cosas haya en el espacio, mejor será la rentabilidad.

Un aspecto aún no mencionado, es que no creo que los paneles solares funcionen demasiado cerca del Sol. Solar Probe Plus , a 8,5 radios solares o 6 millones de km como máximo, en realidad plegará sus paneles solares hacia la sombra de la nave espacial mientras está cerca del Sol. Además, las células fotovoltaicas de concentración óptica se encuentran entre las más eficientes en la actualidad, y creo que el sobrecalentamiento es un límite.

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De hecho, los paneles solares funcionan cerca del sol; la razón por la que Parker Solar Probe (su nuevo nombre) pliega su espalda en su sombra cuando está cerca del sol es para evitar que se vaporicen.
¿Por qué los colectores solares en los conceptos de energía solar espacial no se colocan más cerca del sol?
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