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, donde es captada por grandes antenas —el haz se dispersa por la distancia— y convertida en electricidad otra vez.
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 de potencia, 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.
No deja de llamarme la atención que, los viejos dinosaurios, gurús de la carrera espacial, se reían con todos los proyectos futuristas que ellos no eran capaces de llevar a cabo: cohetes reutilizables, estaciones de energía en el espacio, empresas privadas del espacio…. una y otra vez les han borrado la sonrisa de la cara y les han dejado en ridículo llevando a cabo lo que ellos decían que era imposible o estaba super lejos en el tiempo.
Cuanta prepotencia y soberbia había en esas mentes, que ahora se tienen que tragar sus palabras.
Siempre había creído que los científicos de la carrera espacial eran gente de mente abierta, pero… ¡vaya!
Que decepcionante ver a los antiguos y qué ilusión ver a los nuevos.
.
Los científicos e ingenieros aeroespaciales suelen ser de mente abierta (o DEBERÍAN, en un campo de innovación como el suyo)…
… pero los distintos tipos de chupópteros que regulan y dirigen estás cosas, solo son capaces de ver dinero y de ver estancamiento para su comodidad.
Y ha pasado CIENTOS de veces: mentes «preclaras» pontificando acerca de la «imposibilidad» o «i factibilidad» de algo… y poquísimo tiempo después aquello imposible o impracticable… ¡aparecía!
Completamente de acuerdo.
Yo voto por dejar hacer a China, y si resulta que funciona lo emulamos ?
Interesante idea la de fritar el aire mandando energia desde el espacio.
Muchas gracias por este blog Daniel! me entusiasma mucho el progreso de las SPS Chinas,
Como arma este sistema no tiene ninguna utilidad y como fuente de energía barata… pues veamos
«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»
Desglosemos los costos:
– CAPEX ($0.25 mmdd + ($2mmdd – $5.7 mmdd) ) = $2.25-$5.95 mmdd.
En la Tierra para 1,000 MW de potencia necesitarías 2M de páneles, lo que en dólares son $250 millones usd.
Lanzamientos ($2mmdd – $5.7 mmdd). Ahora, si el CZ-9 cuesta $40 millones como es lo mas probable eso es $5,720 millones usd, pero aunque sean costos Starships con el CZ-9B de $200 usd por kilogramo a órbita, serían $2 mil millones de dólares… por sólo 1,000 MW.
De mantenimiento no tengo idea, pero supongamos $50 USD por kg, serían $0.1 mmdd
– OPEX ($0.1 mmdd)
Esto es lo más complicado pero, de mantenimiento supongamos $50 USD por kg, serían $0.1 mmdd.
– Desarrollo de tecnología ($0): este punto no lo consideraré porque normalmente los chinos no cargan el costo de desarrollo al precio final del producto. Ese costo lo asume el Estado.
– Nos falta añadir el costo de la estacion terrestre, eso podríamos agregarlo en $50 millones de dólares.
– Costos totales de la estacion en el espacio: $2.40 mil millones de usd hasta $6.10 mil millones de usd, depende del costo de lanzamiento.
Ahora, considerando una eficiencia del 40% en el espacio y una producción continúa en GEO, al año generaría 19,140 GWh.
Con una vida util de 30 años, Chat GPT me da un LCOE de 9.40 USD/MWh, lo cual es verdaderamente competitivo con otras tecnologías y un factor de carga al nivel de las nucleares o quizás superior. Los LCOE más baratos suelen ser de la energía nuclear con long term operation de 60 años minimo, que llega a ser de $15-20 usd/mwh, por lo que si es competitiva una SSP china… en el mejor de los casos
Con un CAPEX de $6.10 mil millones, sería de $20.17 USD/MWh
En resumen:
Best case LCOE ($9.40 USD/MWh): CAPEX $2.40 mmdd, OPEX $0.1 mmdd, R&D 0, estación terrestre $0.05 mmdd
Worst case LCOE ($20.17 USD/MWh): CAPEX $6.10 mmdd, OPEX $0.1mmdd, R&D 0, estacion terrestre $0.05 mmdd
Y una vida util de 30 años de los páneles, que si en 2080 produces los páneles y materiales directamente en la Luna, tu CAPEX podría bajar mucho.
En fin, diría que un LCOE real probablemente sería del rango $9.40 -$40 USD/MWh, lo cual sigue siendo de lo más bajo. La clave esta en que una estación espacial solar produce 24/7 todo el año, por lo que pasa a estar al nivel de la energía nuclear,
y si sumas el valor reputacional y superioridad tecnología que un mounstruo de 20km le daría a la nación, además de darle una razón de ser al CZ-9 Starship (Musk apuesta por megaconstelaciones y Marte, los Chinos megaconstelaciones y su estación solar en el espacio), y crear una demanda para una economía cislunar, que recordemos, el partido comunista chino tiene el objetivo de crear una economía cislunar de $30 trillones de usd creo recordar en 2050…
Esta enorme estación solar en el espacio da una razón de ser a todo ello, y con un precio mínimo que podría estar debajo de los $20 USD/MWh,
A mi se me hace por lo menos una tecnología que vale la pena desarrollar en prototipos, ya si se construirá la estación de 1GW será cuestión tiempos y cómo evolucionen las tecnologias asociadas y el CZ-9 Starships
Si quieren hacer nuevos calculos suyos solo copien mi CAPEX y OPEX, cambienlo como gusten y preguntenle a Chat GPT. Los inputs son los sigueintes:
CAPEX: 2,400 MMUSD.
OPEX anual: 100 MMUSD.
Energía generada anual: 19,140,000 MWh.
Vida útil: 30 años.
Esto se monta en GEO, muy baratos esos lanzamientos.
No vas a alcanzar esa producción porque los paneles solares se degradan en el espacio y van perdiendo eficiencia.
Cuanto sugerirías de ambas cifras?
Ni idea… estos días estoy saturado de cifras…
Lo que hoy es ciencia ficción mañana puede ser tecnología.
Nos guste o no, los chinos ya hace tiempo que se han percatado de dicha secuencia.
Por eso valoran y exploran todo tipo de ideas innovadoras, vengan de donde vengan.
Esta es la realidad.
Me recuerda a la escala de Kardashov, y el aprovechamiento de la energía del planeta, como civilización tipo I, y el acercamiento a la civilización tipo II, de aprovechamiento de la energía de la/s estrellas que rodeamos.
https://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Kardashov
La IA compite por ser el cambio más profundo de la sociedad, junto a la revolución espacial que estamos viviendo. Personalmente creo que una revolución sería ser capaz de crear materia de elementos químicos a nuestro antojo. Máquinas capaces de producir los elementos que necesitemos en cada momento metales raros escasos por ejemplo, a partir de otra materia más abundante (carbono, oxígeno, hidrógeno, silicio, aluminio, etc.).
No recuerdo haber leído en ciencia ficción, nada de una civilización capaz de transformar la materia, cual alquimista.
Esta civilización ya hace, a pequeña escala, transmutación de elementos en los reactores nucleares. Pero yo no lo veo necesario. Los elementos que nos hacen falta abundan. Los escasos los usan las tecnologías más nuevas que, como evolucionan tan rápido, quizá dentro de poco no los necesiten.
Las estaciones espaciales tripuladas están alimentadas por enormes paneles solares, que son un blanco fácil para la basura espacial. Un impacto grande en esos paneles supongo que podría desestabilizar toda la estación.
Se me ocurre que si los paneles flotaran lejos de la estación y le emitieran energía a distancia se reduciría el riesgo de impactos.
«… ya nadie se ríe ante estos proyectos chinos»
No poco 😀
«un megavatio de potencia, con masa de 660 toneladas… requeriría 17 lanzamientos del CZ-9»
Masa de combustible CZ-9 aprox. 4000 toneladas. Asumiendo relacion O2/CH4 3.5 son unas 1000 t de metano.
Con entalpia de combustion de 55 MJ/kg -> 55000000 MJ = 55 Terajulios de energia el combustible cada cohete. Los 17 seran 935 TJ
Y ahora veamos la energia producida por esos paneles durante por ejemplo unos optimistas 20 años de vida util en el espacio.
20*365*24*3600 segundos * 1MW (J/s) = 631 TJ
Por tanto simplemente el gasto energetico en CH4 de ponerlos en orbita ya es bastante superior a lo que producirian los paneles durante 20 años, a lo que habria que sumar el costo energético de fabricar el resto de los cohetes, el O2 liquido, y los propios paneles.
Conclusión: Un timo engañabobos.
Veo que en el areticulo de 2021 tambien se citan esas cifras de 1MW y 17 lanzamientos, aunque luego en alguna de las ilustraciones la potencia baila. Quizás el ingeniero responsable de no haber maquillado las cifras es ahora parte de adinerados receptores de organos https://en.wikipedia.org/wiki/Organ_harvesting_from_Falun_Gong_practitioners_in_China
Otra cosa que me llama la atención es que las antenas receptoras, una de mas de cien km2 !! en esta imagen de la NASA del articulo 2021 https://danielmarin.naukas.com/files/2021/08/Captura-de-pantalla-49-580×446.png reciben una potencia de entre 1 y 23 mW/cm2 que será como media unos ridiculos 10 W/m2 !!!! ¿que clase de chaladura es esa de recubrir cientos de km2, destrozando toda la fotosintesis y vida en ella con una antena que capta una birria de radiacion incidente? Los paneles solares normales en tierra reciben mucha mayor energía del Sol, incluso en altas latitudes y contando con el giro de la Tierra. Aparte que luego la potencia reconvertida será aun menor. No tiene sentido, como tantas otras cosas en ese gremio de las «energías limpias e ilimitadas» (o medievales) como veo que dice Daniel en aquel artículo:)
Ah, un error: «…entre 1 y 23 mW/cm2 que será como media unos ridículos 10 W/m2 !!!!»
Serian 10000×10 100W/m2, mejora algo pero para nada justifica la complejidad del sistema cuando el Sol ya pega en superficie unos 1000 W/m2 directamente.
Fe de erratas:
«Asumiendo relacion O2/CH4 3.5 son unas 1000 t de metano.»
Serían algo menos, 888 t (3.5x+x=4000) y de ello resultaría total 830 TJ, que para el caso es lo mismo, mas energía que la que producirían paneles.
madre mía tenéis a las calculadoras echando humo!! ?
o a Chat GPT calculando como loco. ?
.
Ambas 😀