Un anno di successi e lezioni, ecco cosa ci ha insegnato il progetto solare di Caltech

Da novembre 2022 stiamo seguendo da vicino il progetto di Caltech per convertire l'irradiamento solare in energia elettrica direttamente nello Spazio, per poi inviarla sulla Terra tramite wireless: il progetto, ambizioso al limite della fantascienza, andrebbe a risolvere l'unica debolezza del fotovoltaico, ovvero l'intermittenza dovuta all'alternarsi del dì/notte.

La sperimentazione è ufficialmente iniziata il 3 gennaio 2023, alle 6.55 (ora locale) con la missione Transporter-6 cui è stato affidato il compito di portare in orbita il modulo solare Space Solar Power Demonstrator (SSPD).

Poco più di un anno dopo, Caltech ha diffuso i dati raccolti, i successi ottenuti e le lezioni apprese: il banco di prova spaziale ha dimostrato, senza ombra di dubbio, che sì, trasmettere energia in modalità dallo Spazio alla Terra, tramite una struttura leggera e dispiegabile composta da pannelli solari (ispirata all'antica arte giapponese degli origami) è possibile.

"Questa missione fondamentale ha dimostrato che in un futuro prossimo potremo avere energia irradiata dallo Spazio a tariffe commerciali, e, aspetto maggiormente interessante, potremo inviarla in ogni angolo del globo" ha affermato il presidente del Caltech Thomas F. Rosenbaum.

Esattamente come avviene durante i lanci di SpaceX, non tutto è andato secondo i piani, e gli ingegneri dei team guidato da Harry Atwater, Ali Hajimiri e Sergio Pellegrino hanno dovuto far fronte a diversi imprevisti e guasti, trovando soluzioni e stratagemmi: il risultato è stato che non solo la sperimentazione è riuscita, ma ognuna delle tre squadre ha appreso importanti lezioni.

Ad esempio, durante l'implementazione di DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment, ovvero la struttura "a origami" su cui ha lavorato la squadra di Pellegrino e su cui poggia l'intero sistema di pannelli fotovoltaici e array di trasmissione), che in linea teorica sarebbe durata 3-4 giorni, uno dei cavi che collegavano i bracci diagonali agli angoli della struttura, consentendone lo spiegamento, si è impigliato bloccando l'operazione di apertura e danneggiando la connessione tra il braccio e la struttura.

A quel punto il team ha utilizzato il modellino in scala di DOLCE per riprodurre il medesimo incidente e, tramite le telecamere montate sulla struttura nello Spazio, hanno visto che grazie al calore del Sole il modulo sarebbe riuscito a dispiegarsi ugualmente, seppur danneggiato.

Una volta che la struttura è stata completamente srotolata, è però sorta una nuova complicazione: una parte di DOLCE era infatti rimasta incastrata sotto il meccanismo di dispiegamento, un'eventualità che (ovviamente) in laboratorio non si era mai verificata.

Utilizzando il medesimo modus operandi di prima, quindi il modellino e le telecamere, il team è stato in grado di riprodurre questo tipo di problema in laboratorio e ha individuato la strategia per risolverlo: sfruttando gli attuatori di DOLCE hanno fatto vibrare l'intera struttura e liberato la parte bloccata l'inceppamento. Le lezioni apprese dall’esperienza, afferma Pellegrino, informeranno il prossimo meccanismo di implementazione.

ALBA, ovvero la raccolta di 32 diversi tipi di celle fotovoltaiche, studiata e progettata dal team di Atwater ha dimostrato, nell'arco di oltre 240 giorni in orbita, come si comportano i diversi materiali nelle difficili condizioni spaziali, il loro percorso di degrado e la loro efficienza.

Fra le 32 celle, alcune appartenevano alla fascia "più alta", cioè alla categoria delle celle solari spaziali utilizzate anche dalla Stazione Spaziale Internazionale, e il cui costo è mediamente di 100 volte superiore a quelle utilizzate sulla Terra per via di un processo molto particolare chiamato "crescita epitassiale" in cui i film cristallini vengono fatti crescere con un orientamento specifico su un substrato.

Il team di Atwater ha mandato in orbita anche celle spaziali non epitassiali a basso costo, prodotte attraverso processi economici e scalabili (simili a quelli utilizzati per realizzare le odierne celle solari al silicio) e con semiconduttori compositi ad alte prestazioni come l'arseniuro di gallio e celle di perovskite.

Nel corso della vita di ALBA, gli accademici hanno registrato un'enorme variabilità nelle prestazioni delle celle di perovskite, mentre le celle all'arseniuro di gallio a basso costo hanno costantemente ottenuto buoni risultati.

Infine MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbita Experiment), ovvero una serie di trasmettitori di potenza a microonde flessibili e leggeri basati su circuiti integrati personalizzati con controllo temporale, messi a punto dalla squadra di Hajimiri ha dimostrato, a giugno, la fattibilità della trasmissione di energia in modalità wireless Spazio - Terra.

Gli esperimenti di MAPLE sono continuati per otto mesi dopo le dimostrazioni iniziali e, in questo arco di tempo, il team ha spinto i trasmettitori al massimo sforzo, per individuarne limiti e punti deboli; confrontando le prestazioni del trasmettitore ad inizio e fine missione, il team ha misurato lo stress di MAPLE, e quindi il calo di potenza trasmessa via wireless, scoprendone la motivazione nel degrado di alcuni singoli elementi trasmittenti nell'array e ad alcune complesse interazioni elettrico-termiche nel sistema.

"Queste osservazioni hanno già portato a revisioni nella progettazione di vari elementi di MAPLE e di DOLCE, oltre a una nuova selezione di celle solari spaziali per ALBA, verosimilmente più grandi di quelle inviate in questa prima sperimentazione. Il duro lavoro e la dedizione dei brillanti scienziati del Caltech hanno fatto avanzare il nostro sogno di fornire il mondo con energia abbondante, affidabile e conveniente a beneficio di tutta l'umanità", ha dichiarato Donald Bren, presidente della Irvine Company e membro a vita della comunità Caltech, che, assieme a sua moglie, Brigitte Bren, fiduciaria di Caltech ha sostenuto il progetto con un finanziamento di oltre 100 milioni di dollari di finanziamenti.

Di seguito, gli articoli che abbiamo dedicato al Space-based Solar Power Project di Caltech:

• Un Sole che non tramonta mai: ecco i pannelli solari spaziali per produrre energia elettrica non stop;

• Caltech ha lanciato il suo SSP in orbita: la sperimentazione per produrre energia direttamente nello Spazio è ufficialmente iniziata;

• Caltech ce l'ha fatta! La sua trasmissione wireless dell'energia elettrica funziona;