El Observatorio Cuyano

El sueño de las estaciones espaciales de energía solar y la «nave de un kilómetro» china

Por Daniel Marín

El pasado 24 de junio Long Lehao, ingeniero jefe de la serie de cohetes Larga Marcha, dio una conferencia en la Universidad de Hong Kong sobre el programa espacial chino. La conferencia tuvo una gran repercusión mediática porque en la misma se presentó el nuevo diseño del cohete gigante Larga Marcha CZ-9, entre otras novedades. Sin embargo, en esa misma conferencia, Long Lehao habló de otros planes de futuro que pasaron más desapercibidos. El más importante fue quizás la utilización del CZ-9 para construir estaciones espaciales de energía solar. Por primera vez, se daban cifras y plazos relativos al proyecto. Según la presentación, China quiere tener disponible en 2030 una estación espacial de energía solar experimental capaz de generar un megavatio de potencia. Esta estación, situada en órbita geoestacionaria, tendría una masa de 660 toneladas y unas dimensiones de 600 x 300 metros. Su vida útil sería de unos quince años. Para lanzar una estructura tan gigantesca serían necesarios unos 17 lanzamientos del CZ-9.

Recreación de una estación SPS según un estudio de la NASA de los años 70 (NASA / David S. F. Portree / http://spaceflighthistory.blogspot.com/).

Pero la cosa no queda ahí. Al fin y al cabo, hemos dicho que esta era solamente una estación experimental. El objetivo para 2050 —un año después de la celebración del centenario de la República Popular China— sería disponer de una estación solar de un gigavatio de potencia. Esta estación tendría una masa de diez mil toneladas (!), con una longitud de veinte kilómetros y un ancho de un kilómetro (!!). Este monstruo requeriría 143 lanzamientos del CZ-9 para cobrar vida. Como vemos, son cifras apabullantes, de ahí que la nueva versión del CZ-9 será diseñada con la reutilización en mente. Antes de continuar, debemos recordar, por si hay algún despistado en la sala, que los satélites de energía solar o SPS (Solar Power Satellites) no son un concepto nuevo. La idea es, sobre el papel, muy sencilla. Basta con colocar paneles solares fotovoltaicos en la órbita geoestacionaria para que así puedan estar iluminados casi permanentemente. Al estar en GEO, desde la Tierra su posición es prácticamente estacionaria en el cielo —por algo se llama así la órbita—, por lo que pueden enviar la energía generada al mismo punto de la superficie terrestre. ¿Cómo? Mediante microondas. Una enorme antena en la superficie se encargaría de convertir la radiación de microondas en electricidad. Y ya está. Energía solar limpia e ilimitada para todos.

Los planes chinos para desarrollar un sistema SPS según la presentación de Long Lehao del pasado junio. La estación SPS que aparece en la imagen es un concepto de Boeing de los años 70 (CASC/Weibo).

Long Lehao introduce el nuevo diseño del CZ-9 en la Universidad de Hong Kong (CASC/Weibo).

Naturalmente, las cosas son un pelín más complejas. El primer estudio serio de un sistema SPS fue propuesto por Peter E. Glaser en 1968. Hoy en día el concepto nos puede parecer una locura, pero en aquella época era normal pensar a lo grande. Con la crisis del petróleo de los años 70, los sistemas SPS ganaron mucha popularidad y la NASA y el Departamento de Energía financiaron una gran cantidad de estudios para analizar su viabilidad. Todo en los proyectos SPS era descomunal. Por ejemplo, el diseño de referencia de Boeing de mediados de los 70 concebía una red SPS formada por más de una decena de inmensos satélites, cada uno de ellos con una longitud de 21 kilómetros y un ancho de un kilómetro. ¿Te suenan estas cifras? Efectivamente, son más o menos las mismas que las presentadas por Long Lehao el pasado junio para la estación de un gigavatio que China quiere tener lista en 2050. Los estudios de la NASA concluyeron que para construir estas estructuras había que diseñar primero nuevos lanzadores superpesados reutilizables que habrían dejado pequeña a la Starship de SpaceX. También hubiera sido necesario construir grandes estaciones espaciales en órbita baja para montar las gigantescas estaciones SPS antes de enviarlas a GEO, además de mandar regularmente naves tripuladas y no tripuladas a la órbita geoestacionaria para mantener y reparar los descomunales paneles. Huelga decir que el proyecto no pasó la fase de papel (por aquella época todavía no había powerpoints).

Diseño genérico de un satélite SPS de los años 70. La energía se emite a la Tierra en forma de microondas (NASA / David S. F. Portree / http://spaceflighthistory.blogspot.com/).

Diseño de referencia del satélite SPS de la NASA y el DOE, con una longitud de 10 km (NASA/DOE).

.Satélite SPS según el diseño de referencia de Boeing de 1974, con una longitud de 20 km (Boeing).

En los años 90 el interés en los sistemas SPS comenzó a repuntar de nuevo con el auge de las energías renovables y la preocupación por el cambio climático. Desde entonces, numerosas naciones, no solo China, continúan investigando la viabilidad de estos sistemas. La mayor eficiencia de los paneles solares actuales y las nuevas técnicas de despliegue y montaje de grandes estructuras espaciales prometen hacer un poco menos imposible el sueño de los sistemas SPS. Por otro lado, en estas últimas décadas el rango de posibles diseños y órbitas para un SPS se ha multiplicado, así como sus aplicaciones. Ya no solo se trata de alimentar a la Tierra con energía limpia, sino que se han propuesto sistemas SPS para suplir las necesidades de bases lunares o marcianas, por ejemplo, o incluso de otros satélites en órbita terrestre (en el caso de la Luna y Marte se podrían usar láseres o máseres en vez de microondas gracias a la ausencia del engorro que es la atmósfera terrestre). Sin ir más lejos, el X-37B, el avión militar del Pentágono, despegó en mayo de 2020 con el experimento PRAM (Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module) con el objetivo de estudiar la viabilidad de transmitir la energía generada por paneles fotovoltaicos mediante microondas. La agencia espacial japonesa JAXA también tiene interés en los sistemas SPS y en 2014 anunció su intención de colocar en órbita una estación de un gigavatio alrededor de 2030, aunque la financiación del proyecto parece que no ha estado a la altura de la ambición del mismo. Otras naciones, como Rusia, también han expresado su interés en los sistemas SPS.

Satélite SPS para alimentar infraestructuras en la superficie de Marte. En este caso la energía se transmite mediante un láser (NASA/Boeing).

En cuanto a China, ya en 2010 se publicó un plan oficial para desarrollar sistemas SPS, aunque en su momento poca gente le prestó atención dado el estado del por entonces bastante modesto programa espacial chino. En 2016 se hizo relativamente famosa una propuesta de estación SPS desarrollada por CAST que pasaba por la construcción de un satélite de casi doce kilómetros de longitud capaz de generar 2,4 gigavatios de potencia eléctrica. La estación usaría un haz de microondas de 5,8 gigaherzios para transmitir la energía hasta la Tierra. La estación terrestre produciría un gigavatio de potencia aproximadamente. Más recientemente, la ciudad de Chongqing ha declarado su intención de construir una estación experimental de recepción de energía solar mediante microondas con una extensión de 0,8 kilómetros cuadrados. Los sistemas SPS han aparecido además en multitud de documentos relacionados con las tecnologías claves que debe dominar el país asiático y que se recogen de forma periódica los planes quinquenales.

Concepto de estación receptora terrestre de microondas de la NASA (NASA / David S. F. Portree / http://spaceflighthistory.blogspot.com/).

Variación de la densidad de potencia de la antena receptora (NASA)

Factores que dispersan la energía del haz de microondas de un satélite SPS (NASA).

Como vemos, el interés de China en los sistemas SPS no es nuevo. Pero la magnitud de la tarea es tan enorme que resulta fácil darlo por imposible y creer que es solo un concepto fantasioso que jamás verá la luz (nunca mejor dicho). Sin embargo, la reciente noticia de que China está estudiando la construcción de una nave experimental de un kilómetro ha vuelto a poner sobre la mesa los sistemas SPS en el intervalo de pocos meses. En la noticia no se dan detalles técnicos de cómo será esta nave, más allá de que todavía se trata de un concepto experimental para ensayar técnicas de cara al montaje de grandes estructuras en órbita, pero sí se menciona explícitamente que una de las aplicaciones de estas estructuras ultralargas sería la construcción de satélites SPS. La NNSFC (National Natural Science Foundation of China) es la organización que estaría a cargo de este, aparentemente, extravagante proyecto experimental. Aunque, recalcamos, por el momento es solo un estudio, esta noticia muestra a las claras una vez más que China no se está tirando un farol y que valora seriamente construir de verdad un sistema SPS. ¿Tendrá éxito China allá donde la NASA fracasó hace medio siglo?