Esempio di pannello solare in orbita.

Il Giappone continua la sua ricerca di energia alternativa al nucleare dopo il disastro di Fukushima, tra sviluppi incoraggianti e nuove prospettive che infondono ottimismo e aprono la via a quello che sarebbe uno dei progetti più ambiziosi nella storia energetica del pianeta: si chiama Space Solar Power Systems(SSPS) e si propone di realizzare la prima centrale a energia solare situata in orbita intorno alla Terra!

Le ragioni del progetto

Subito dopo il tragico incidente di Fukushima, i maggiori esponenti del panorama tecnologico e scientifico giapponese si sono atttivati per trovare una soluzione, una seconda via che costituisse una valida alternativa al fabbisogno energetico fornito fino ad allora dalle centrali nucleari. Già un anno fa la JAXA aveva ideato un sistema per raccogliere energia solare direttamente dallo spazio, utilizzando grandi pannelli solari o grandi specchi in grado di convogliare i raggi solari in un pannello “collettore”. La grande sfida però sta nel riuscire a a trasmettere l’energia raccolta a terra, con un buon rendimento e riducendo al minimo le perdite durante il trasferimento.

Energia wireless a distanza: si può!

Ed è proprio in questa direzione che muovono i nuovi sviluppi che arrivano dall’isola nipponica all’interno del progetto SSPS. Infatti recentemente la JAXA ha condotto con successo un trasferimento di 1.8 KW di elettricità attraverso 55 metri circa, sotto forma di microonde. E il primo tentativo lascia molto ben sperare, poiché il fascio d’energia è stato trasmesso con un alto grado di accuratezza, aprendo così la strada a futuri sviluppi su una più larga scala.

Ma il trasferimento di energia da un punto a un altro non è certamente qualcosa di nuovo. Basti pensare che il primo a mettere a punto un sistema capace di inviare energia a una certa distanza da una “sorgente” a un’antenna ricevente fu lo stesso Nicola Tesla più di cent’anni fa!

Che fine hanno fatto i cavi?

Ad oggi esistono principalmente tre modi per trasferire energia: il primo e più semplice è noto come Near-field transfer ed è basato sull’accoppiamento di due avvolgimenti posti a una distanza che sia paragonabile alle dimensioni degli avvolgimenti stessi. In questa configurazione, l’energia viene trasferita senza fili grazie al campo magnetico che si genera tra gli avvvolgimenti. Tipiche applicazioni sono i caricatori, per esempio quelli degli spazzolini elettrici. Il rendimento di questo tipo di trasferimento dipende dalla distanza fra gli avvolgimenti. In particolare esso diminuisce man mano che gli avvolgimenti vengono allontanati. Ciò significa che l’oggetto fonte d’energia e quello ricevente devono essere relativamente vicini l’uno all’altro. Si capisce subito che questa tecnologia non può essere utilizzata per trasferire energia a lunga distanza, nonostante abbia il vantaggio di non interferire con apparecchiature radio, TV o Wi-fi, date le basse frequenze che la caratterizzano.

Near-field transfer.

Laser transfer.

Un secondo modo per trasferire energia è attraverso i raggi laser. Con questa tecnologia è possibile inviare energia attraverso lunghe distance, grazie alle piccole lunghezze d’onda, buona densità d’energia trasmessa, perfettamente direzionabile e alla non interferenza con cellulari, mezzi di comunicazione e Wi-fi. Ma anche qui, se si pensa a una futura applicazione in campo spaziale, ci sono importanti aspetti negativi da considerare: fra tutti, il basso rendimento nella conversione e l’alto tasso di assorbimento da parte dell’atmosfera, per non parlare dei rischi per l’incolumità della popolazione.

La modalità che invece sembra prestarsi meglio allo scopo di trasferire l’energia dai pannelli solari orbitanti a una stazione di terra è il Far-field transfer, basato su onde elettromagnetiche. L’energia elettrica è immagazzinata in un raggio di microonde trasmesso attraverso un’antenna; essa viaggia attraverso l’atmosfera e viene poi ricevuta da una seconda antenna a terra. Una delle sfide principali risiede nel fatto che maggiore è la lunghezza d’onda, maggiori devono essere le dimensioni delle antenne per poter inviare e ricevere le microonde. Inoltre, siccome le onde elettromagnetiche usate cadono nella banda di lunghezze d’onda di radio, TV e Wi-fi, ma con intensità maggiori, la posizione delle antenne riceventi diventa cruciale per l’impatto che questa tecnologia può avere nella vita di tutti i giorni.

Dal Sole alla TV

Come già detto il Giapponne ha da anni intrapreso il sentiero del rinnovabile come fonte primaria di energia, il che impone di cercare una sorgente che sia il più abbondante, disponibile e affidabile possibile. Affidarsi al solare così come siamo abituati a utilizzarlo sarebbe impensabile, ma posizionare pannelli solari in orbita geostazionaria  garantirebbe un apporto di energia costante e ad alta densità. La sfida che ora s’impone in seno al progetto SSPS è quella di ottimizzare il trasferimento dell’energia raccolta. Ed è proprio in questa direzione che muovono gli sforzi sia della JAXA che di un’altra importantissima azienda giapponese, la Mitsubishi. Se infatti la prima ha inviato circa 2 KW di energia a un’antenna ricevente posta a oltre 50 metri usando microonde con un’accuratezza elevatissima, la seconda si è spinta oltre, arrivando a trasportare 10 KW di potenza attraverso una distanza di mezzo chilometro con altrettanta precisione, usando antenne più grandi.

Far field transfer.

“Per aspera ad astra”: attraverso le asperità si giunge alle stelle

Ovviamente un problema che resta, e su cui bisognerà fare un lavoro di fino per limare pochi punti percentuali, è quello dell’efficienza, che ad oggi resta abbastanza bassa. Per questo si procederà a piccoli passi, magari prima con trasferimenti su distanze ridotte di alte energie (ad esempio per ricaricare macchine elettriche) o su medie distanze con basse densità energetiche (si pensi alle luci di segnalazione degli edifici). Entro il 2018 la JAXA prevede di riuscire a inviare diversi kilowatts dall’orbita terrestre bassa a un’antenna ricevente a terra e auspica entro il 2028 di avere in orbita un satellite capace di inviare 200 MW di potenza. Il culmine del progetto, previsto non prima del 2037, è quello di realizzare un sistema che sia in grado di fornire 1 gigawatt di potenza elettrica utilizzabile a livello commerciale.

Riproduzione artistica di un’ipotetica configurazione del sistema SSPS.

Elettricità senza fili: una rivoluzione storica

Si annuncia quindi un futuro ricco di avvincenti sfide e di tappe cruciali che potrebbero riscrivere il contenuto della parola “energia” in tutte le enciclopedie del mondo. Le sfide sono tante e lo stesso responsabile del progetto SSPS,Yasuyuki Fukumuro, ha dichiarato in un’intervista che “trasmettere microonde da 36000 Km di altezza a una superficie di 3 Km di diametro è come filettare un ago”!

Ma si pensi alla rivoluzione che questa tecnologia potrebbe portare: innanzitutto garantirebbe energia fintanto il Sole continuerà a splendere, ossia per un periodo pari all’esistenza stessa del nostro pianeta. E poi provate a immaginare uno scenario senza più centrali nucleari, senza tralicci o cavi, un mondo dove l’energia si muove silenziosamente nell’aria correndo su microonde a raggiungere gli angoli più remoti della Terra. E in caso di disastri, in caso di blackout, basterebbe montare una piccola antenna per cominciare a ricevere elettricità dai satelliti o da “hotspot” situati altrove sulla Terra. Un po’ come connettersi alla più vicina rete wireless! Facile, no?

di Michele Mione

Linkografia:

http://www.techtimes.com/articles/39770/20150315/jaxa-scientists-transmit-wireless-power-170-feet-air.htm

http://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/japan-demoes-wireless-power-transmission-for-spacebased-solar-farms

http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/ma1/

http://global.jaxa.jp/article/interview/vol53/index_e.html