Uso de láseres para transmitir energía solar.

¿Cuáles son las otras consideraciones para esto? ¿Hay algún defecto obvio que no haya notado?

Sí. Primero, hay mucha energía solar en la Tierra para ser cosechada con la tecnología actual. En segundo lugar, hay lugares mucho más baratos para colocar colectores solares en el espacio que cerca del Sol . Y tercero, está el pequeño problema de crear un arma imparable de destrucción masiva .

La cantidad de energía que recibimos del Sol depende de dónde la midas, en la superficie o en la atmósfera superior, y si mides la energía total recibida frente a la energía que probablemente podamos utilizar con la tecnología actual.

La Tierra consume actualmente unos 12 teravatios (TW) . ¿Qué obtenemos del Sol?

En el límite superior, la Tierra recibe 174 000 TW en la atmósfera superior. Eso es lo que obtendríamos si cubriésemos todo el planeta con satélites en órbita con una eficiencia perfecta. Eso es 14.500 veces nuestro consumo de energía. No hay problema allí! Pero obviamente poco realista.

Más realista es la energía potencial que podemos recolectar en el suelo utilizando la tecnología actual. La Evaluación Mundial de la Energía de la ONU en 2000 calcula que nuestro potencial de energía cosechable de manera realista es de 50 TW a 1500 TW o de 4 a 125 veces nuestro consumo actual. Ver páginas 162 y 163 (173 y 174 del PDF). Concluyen...

El potencial de energía solar en la tabla 5.19 es más que suficiente para cumplir con los usos de energía actuales y proyectados mucho más allá de 2100. Por lo tanto, la contribución de la energía solar a los suministros energéticos globales no estará limitada por la disponibilidad de recursos.

Así que tenemos mucha energía solar en este momento en la Tierra.

Parafraseando al tipo What If hat , "¿y si quisiéramos más poder?" Bien, pretendamos que necesitamos más potencia. ¿Dónde ponemos nuestros colectores solares basados ​​en el espacio?

Enviar satélites cerca del Sol es muy costoso , más sobre eso a continuación, por lo que antes consideramos que primero consideraríamos lugares más baratos para colocar colectores solares para aumentar nuestro suministro. Esta imagen ilustra el costo, en km/s delta-v , de ir a varios puntos del sistema solar.

Como puede ver, simplemente salir de la Tierra y entrar en la órbita terrestre baja (LEO) es bastante costoso. Llegar al Sol requiere tres veces el delta-v, pero debido a la tiranía de la ecuación del cohete, el costo del combustible aumenta nueve veces (esto cambia según el método de propulsión utilizado, pero el punto es que se vuelve caro rápidamente). Entonces, queremos colocar nuestros colectores solares en lugares con un delta-V bajo, y el Sol es el peor para eso.

Comenzaríamos con la elección obvia: órbita terrestre baja o LEO. Esto evitaría la absorción de energía solar por la atmósfera, alrededor del 30%, y no requiere el uso de terrenos para granjas solares. El aumento en los lanzamientos de LEO reduciría el costo y permitiría financiar tecnologías de lanzamiento aún más baratas, como un ascensor espacial o un bucle de lanzamiento .

"¿Y si quisiéramos más poder?"

LEO ya es un lugar bastante concurrido, y no queremos dar sombra a toda la Tierra, por lo que el próximo objetivo de nuestra hambre de energía sería expandir el área total que estamos cosechando.

LEO está bastante cerca de la Tierra (solo 100 km en comparación con los 6500 km de la Tierra) y no expande significativamente nuestra área de recolección. Aquí hay una representación a escala de varias órbitas . Podemos aumentar significativamente nuestra área de recolección colocando satélites en órbitas cada vez más altas. Como podemos ver en el gráfico delta-V, llegar hasta la órbita terrestre geosincrónica a 35 000 km solo agrega 4 km/s a nuestro presupuesto delta-V, pero dado que el área de superficie aumenta exponencialmente, hemos aumentado nuestra área de recolección unas 25 veces. ! ¡Espléndido!

"¿Y si quisiéramos más poder?"

El siguiente objetivo para nuestro presupuesto de lanzamiento son los Puntos de Lagrange L4 y L5 . Estos son puntos 60 grados por delante y por detrás de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, alrededor de los cuales un satélite puede hacer una órbita estable , estacionándolos efectivamente allí. Llegar allí solo requiere otros 2 km/s más que GEO.

"¿Y si quisiéramos más poder?"

En este punto, para aumentar aún más el área superficial de la luz solar que estamos recolectando, entraríamos en cosas como los enjambres de Dyson y las burbujas de Dyson que rodean al Sol, en cualquier órbita que queramos, con colectores.

Lo bueno de un enjambre o burbuja es que se puede crear gradualmente agregando más recolectores al enjambre. A medida que agrega más colectores, aumenta su presupuesto de energía para construir y lanzar más colectores. Cubrí esto en otra respuesta sobre la luz solar máxima .

"¿Y si quisiéramos más poder?"

Vete, chico del sombrero.

Cualquier tipo de colector solar basado en el espacio significa que necesita enviar esa energía de regreso a la Tierra. Y sí, probablemente sería un láser de microondas. Desafortunadamente , transmitir tanta energía a la Tierra significa que acabas de crear un arma espacial de destrucción masiva .

Accidentalmente, o deliberadamente, estos colectores solares son capaces de concentrar teravatios de energía, equivalentes a una explosión nuclear de alto rendimiento, en cualquier punto de la Tierra. Quien controlara a los recolectores podría rescatar el planeta . Incluso si confiáramos en que esta organización es buena, existe el riesgo de que la absorban. A diferencia de una planta de energía nuclear o armas nucleares que tienen humanos para protegerlas, estos colectores serían controlados a distancia. Un hacker podría vaporizar una ciudad .

Usted ha indicado la falla en su pregunta: We receive more than 1000 times the energy we currently use.

No necesitamos construir grandes estructuras cerca del sol para usar la energía solar, porque ya la recibimos en abundancia; simplemente necesitamos construir más plantas de energía solar en la Tierra, donde es casi infinitamente más barato y más fácil construirlas

La idea ya está en investigación.

Los dos problemas principales son:

• Seguridad: El más mínimo error en la precisión del láser quemará el área alrededor del colector. Cuanto más te acerques al sol, más importante será cualquier error.
• Costo: enviar material al espacio es extremadamente costoso, por lo que si la ganancia de vender energía no puede superar el costo inicial, nadie invertirá en este proyecto.

La idea de tener pelotones de satélites de energía solar (o simplemente cubrir la superficie de Mercurio con células solares) se remonta a mucho tiempo atrás; El Dr. Robert Forward propuso algo similar para generar terravatios de energía para bombear un láser masivo o una serie de láseres para impulsar una "vela ligera" o un viaje interestelar en la década de 1980. Solo el lanzamiento requeriría @ 7 tW de energía, y se estima que la desaceleración tomaría @ 26 tW de energía. http://www.lunarsail.com/LightSail/rit-1.pdf

La escala de este proyecto obviamente es mucho más de lo que se necesita para su idea, pero una cosa a tener en cuenta es la necesidad de mantener el haz enfocado y en el objetivo de potencia. Para el esquema de Forward, se necesita una enorme lente de Fresnel a una distancia del sol igual a la órbita de Saturno para enfocar el haz en el objetivo. Se necesitará un arreglo similar para mantener el punto de poder enfocado en la Tierra o la Luna, y también habrá complicaciones debido al movimiento relativo de Mercurio y la Tierra alrededor del Sol. Es posible que se necesite un sistema de espejos repetidores para dirigir el haz de modo que siempre apunte a la Tierra.

Como mencionaron otros en los comentarios, habrá un problema masivo de rechazo de calor, no solo en el sitio de recolección de energía, sino también en los transmisores láser (incluso los FEL tienen una eficiencia máxima teórica en el rango del 65 %), a través de cualquier lente de enfoque. y espejos de relé, y finalmente eficiencia de conversión en el receptor. Dado que estamos hablando de terravatios de energía, incluso una pequeña fracción es de megavatios a gigavatios de calor residual, lo que requiere enormes radiadores y otros aparatos (depósitos, bombas, etc.) para evitar que todas las partes se derritan.

Entonces, si bien es teóricamente posible, sugeriría que tiene más sentido en términos de tiempo y recursos simplemente colocar colectores solares en órbita alrededor de la Tierra y transmitir energía a receptores terrestres con menos pasos de conversión y menor densidad de energía. Un proyecto DoD muy reciente hizo algunos cálculos (registrados en este sitio web: http://nextbigfuture.com/2016/02/space-based-solar-power-winner-in.html ), y también llamo su atención sobre los comentarios. sección, donde un comentarista llamado GoatGuy ejecuta los números y presenta cómo se verían los verdaderos parámetros de dicho sistema.

Un proyecto de capital masivo como la construcción de colectores solares y láseres Terrawatt alrededor de Mercurio sería factible en un futuro mediano o lejano para transmitir energía a través del sistema solar a lugares como Neptuno, donde la densidad de energía solar es demasiado baja para cualquier tipo de tecnología solar. Sé práctico.

Una de las mayores debilidades de la idea es en realidad la atmósfera. Tiende a interponerse en el camino de los láseres y hacer que se rompan o se refracten en todo tipo de formas no deseadas. Esto aumenta enormemente sus pérdidas de energía para ese tramo final de la transmisión y también comienza a calentar la atmósfera, eliminando algunas de esas ganancias de calentamiento global que esperaba obtener.