Pannelli solari nello spazio, il fotovoltaico wireless è in orbita e funziona

La piccola centrale fotovoltaica spaziale realizzata dal Caltech è operativa e ha dimostrato per la prima volta di poter inviare energia alla Terra

Pannelli solari orbitanti nello spazio, la trasmissione di energia a terra funziona

(Rinnovabili.it) – Il sogno di realizzare pannelli solari nello spazio che regalino alla Terra una fonte costante di energia pulita, diventa realtà. Nella corsa internazionale al fotovoltaico wireless il California Institute of Technology (Caltech) ha superato i suoi “concorrenti” lanciando in orbita all’inizio dell’anno la prima centrale spaziale, un piccolo impianto dimostrativo per testare la capacità cattura dell’energia solare, la trasformazione in microonde e l’invio su lunghe distanze. E oggi, a circa 5 mesi di distanza, l’ateneo può esultare: il suo Space Solar Power Project funziona.

Fotovoltaico spaziale, dalla fantascienza alla realtà

L’idea di portare i pannelli solari nello spazio, per generare energia fotovoltaica 24 ore su 24, ha iniziato a rendere corpo alla fine degli anni ’60 ma deve la sua notorietà pubblica ad un racconto di fantascienza di diversi anni prima. Nel 1941, infatti, Isaac Asimov pubblicò “Essere razionale”, descrivendo un mondo in cui gli umani raccoglievano energia solare da una stazione orbitante inviandola alla Terra tramite onde radio. 

Trasformare tale concetto in realtà non è stato facile ma oggi più di un progetto sta lavorando per dare all’immaginario di Asimov dei contorni concreti. Complici i nuovi obiettivi della transizione energetica, diversi paesi e agenzie spaziali si sono lanciati nell’impresa. A giugno 2022 la Cina ha annunciato d’aver testato a terra la prima struttura funzionante di fotovoltaico wireless, con l’obiettivo di avere una centrale solare sperimentale in orbita entro il 2035. L’agenzia spaziale giapponese vorrebbe batterla sul tempo lanciando i suoi primi pannelli fotovoltaici spaziali nel 2025.

Ma anche l’ESA, l’Agenzia spaziale europea, è impegnata a finanziare progetti di fotovoltaico orbitante e, nel Regno Unito il governo ha commissionato una ricerca sulle centrali solari nello spazio per valutarne la fattibilità; con la possibilità di avere una prima stazione fotovoltaica dimostrativa nel 2040.

Come funziona il fotovoltaico wireless dimostrativo?

Il lavoro del Caltech, svolto nell’ambito del Progetto Energia solare spaziale, guida per ora la corsa alle stelle. Lo Space Solar Power Demonstrator (SSPD) ha preso il volo lo scorso 3 gennaio a bordo del razzo Falcon 9 nella missione Transporter-6 di SpaceX. E dopo poche settimane dal lancio sono iniziati i test delle diverse tecnologie a bordo dell’SSPD. La piccola piattaforma dimostrativa si compone infatti di tre esperimenti:

• DOLCE, una struttura pieghevole di circa 1,8 m2 che forma l’architettura modulare di base su cui installare i pannelli solari. A regime diverse unità DOLCE costituirebbero una sorta di costellazione su scala chilometrica formando una centrale fotovoltaica orbinate;
• ALBA, una raccolta di 32 diversi tipi di celle solari che consentirà agli scienziati di valutare la tipologia più efficace per realizzare i futuri pannelli solari nello spazio;
• MAPLE, una schiera di trasmettitori di potenza a microonde, leggeri e flessibili. I dispositivi sono guidati da chip elettronici personalizzati, costruiti utilizzando tecnologie al silicio a basso costo.

 È proprio quest’ultimo elemento ad aver fatto esultare l’istituto californiano. MAPLE è stato sviluppato da un team Caltech guidato dal professor Ali Hajimiri.“Attraverso gli esperimenti che abbiamo eseguito finora, abbiamo ricevuto la conferma che MAPLE può trasmettere energia con successo ai ricevitori nello spazio”, afferma Hajimiri. “Siamo stati anche in grado di programmare il modulo per dirigere la sua energia verso la Terra, che abbiamo rilevato qui al Caltech. Ovviamente l’avevamo testato sulla Terra, ma ora sappiamo che può sopravvivere al viaggio nello spazio e operare lì”.

Il successo di MAPLE

Utilizzando l’interferenza costruttiva e distruttiva tra i singoli trasmettitori, il sistema è stato in grado di spostare il focus e la direzione dell’energia emessa, senza alcuna parte in movimento. E grazie a precisi elementi di controllo riesce a indirizzare dinamicamente la potenza in modo selettivo sulla posizione desiderata. “Per quanto ne sappiamo, nessuno ha mai dimostrato il trasferimento di energia wireless nello spazio anche con costose strutture rigide. Lo stiamo facendo con strutture flessibili e leggere e con i nostri circuiti integrati. Questa è la prima volta”, afferma Hajimiri.

L’energia trasmessa è stata rilevata da un ricevitore sul tetto del Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering nel campus del Caltech a Pasadena. Il segnale ricevuto è apparso all’ora e alla frequenza previste.

 Pannelli solari nello spazio, il segreto è la flessibilità

 “La dimostrazione del trasferimento di energia fotovoltaica wireless nello spazio utilizzando strutture leggere è un passo importante verso l’energia solare spaziale e un ampio accesso ad essa a livello globale”, afferma Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair della Divisione di ingegneria e scienze applicate presso l’ateneo. “I pannelli solari sono già utilizzati nello spazio, ad esempio per alimentare la Stazione Spaziale Internazionale, ma per lanciare e distribuire sistemi sufficientemente grandi da fornire energia alla Terra, SSPP deve progettare e creare sistemi di trasferimento che siano ultraleggeri, economici e flessibile”.

Le singole unità sono progettate per essere racchiuse in pacchetti di circa 1 metro cubo di volume, in grado di aprirsi in orbita in quadrati piatti di circa 50 metri per lato, con celle solari su un lato rivolte verso il sole e trasmettitori di potenza wireless sull’altro lato rivolti verso la Terra.

Il Ministero dell'Ambiente pubblica gli esiti della consultazione pubblica sul Decreto Ministeriale FER X, chiusa lo scorso settembre. Dai 46 soggetti partecipanti emerge l'esigenza di conoscere per tempo tutte le informazioni utili alla programmazione degli investimenti nelle rinnovabili. Chiesti chiarimenti sul processo autorizzativo e sulle tempistiche

Decreto FERX, nuovi spunti di riflessione

Servono maggiori informazioni sui coefficienti sul prezzo d’aggiudicazione, sui criteri di priorità, sulla documentazione per l’accesso al meccanismo e sulle tipologie di interventi ammessi. In particolare quando si tratta di progetti di “rifacimento” e “potenziamento”. Queste alcune delle principali richieste emerse dalla consultazione pubblica sul Decreto FERX. La scorsa estate il Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza energetica aveva pubblicato lo schema del provvedimento per una raccolta di pareri da parte degli stakeholder, con l’obiettivo di condividerne le logiche. Oggi il MASE rende noti gli esiti di tale consultazione puntando i riflettori sugli spunti e le richieste emerse da parte dei 46 soggetti partecipanti. 

Gli esiti della consultazione pubblica

Ricordiamo che il Decreto FERX nasce con lo scopo di definire un meccanismo di supporto espressamente dedicato ad impianti a fonti rinnovabili con costi di generazione vicini alla competitività. Come? Tramite contratti CfD a valere sull’energia elettrica prodotta dagli impianti. Con un accesso diretto per quelli di taglia inferiore al MW, e tramite aste al ribasso per quelli di taglia uguale o superiore al MW. Ed è proprio su queste due modalità che arrivano le prime considerazioni.

Per la maggior parte dei soggetti che hanno risposto alla consultazione, il contingente di 5 GW per gli impianti FER ad accesso diretto non sarebbe sufficiente, soprattutto vista la grande attenzione che stanno ricevendo al livello di investimento i sistemi di piccola taglia.

Per quanto riguarda l’accesso tramite asta, invece, il parere generale condivide i contingenti individuati, che secondo l’ultima bozza pubblicata oggi sarebbero: per il fotovoltaico 45 GW; per l’eolico di 16,5 GW; per l’idroelettrico di 630 MW; per i gas residuati 20 MW. “Tuttavia – si legge nel documento del MASE – congiuntamente alla risposta positiva sono state proposte diverse modifiche (aumento di uno specifico contingente, creazione di nuovo contingente, meccanismi di riallocazione della potenza non assegnata, ridefinizione dei contingenti al fine di favorire lo sviluppo dei PPA, etc.)”. Tra gli spunti emersi c’è la proposta di contingenti separati tra il fotovoltaico a terra e sul tetto.

Proposti nuovi requisiti di accesso e tempistiche

In tema requisiti d’accesso, alcuni soggetti chiedono l’incremento della soglia di potenza per l’accesso diretto, l’aggiunta dei criteri ESG, la reintroduzione del requisito specifico che attesti la capacità finanziaria ed economica di chi partecipa al meccanismo del Decreto FERX.

“Con riferimento ai tempi massimi individuati per la realizzazione degli interventi, la consultazione ha evidenziato un forte distaccamento con le aspettative degli operatori. Per quanto detto diversi soggetti propongono per una o più fonti l’innalzamento dei tempi previsti, chiedendo di tenere in considerazione parametri quali, la potenza e/o la tipologia d’intervento, l’ottenimento dei titoli autorizzativi, i tempi di realizzazione della connessione e quelli dovuti agli approvvigionamenti, che sottolineano, potrebbero oltretutto determinare un aumento dei costi, visto anche i meccanismi incentivanti”, si legge ancora nel documento.

Per i tempi di comunicazione della data d’entrata in esercizio dell’impianto, emerge nel complesso l’esigenza di un prolungamento, aggiungendo da più 60 giorni a 12 mesi. Viene anche evidenziata una certa contrarietà all’obbligo per gli operatori di impianti rinnovabili non programmabili che stipula un contratto CfD ad abilitarsi alla fornitura dei servizi di dispacciamento.

Un gruppo di scienziati del KAIST ha sviluppato una batteria a ioni di sodio ad alta energia, ad alta potenza e di lunga durata

Quando le batteria a ioni sodio incontrato i supercondensatori a ioni sodio

Arriva dalla Corea del Sud la prima batteria ibrida al sodio in grado di battere la tecnologia a ioni di litio a mani basse. Con ottime prestazioni lato di capacità di accumulo, potenza, velocità di carica e durata, come dimostra l’articolo pubblicato sulla rivista scientifica Energy Storage Materials (testo in inglese).

Nel 2020 le batterie a ioni sodio (Na+) hanno raggiunto prestazioni comparabili a quelle degli ioni di litio in termini di capacità e durata del ciclo in condizioni di laboratorio. Da allora il segmento ha continuato a macinare grandi progressi, spinto dall’esigenza globale di trovare una tecnologia di accumulo più economica delle ricaricabili al litio e meno dipendente dalle attuali catene di approvvigionamento dei materiali critici. L’ultimo grande risultato nel campo è quello segnato da un gruppo di scienziati del KAIST, il Korea Advanced Institute of Science and Technology.

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Il team guidato dal professor Jeung Ku Kang del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha messo a punto una batteria ibrida agli ioni di sodio dalle prestazioni eccellenti e in grado di ricaricarsi in pochi secondi. Il segreto? Un’architettura che integra materiali anodici propri delle batterie con catodi adatti ai supercondensatori.

Batteria ibrida al sodio, prestazioni record

In realtà non si tratta di un approccio nuovo. Gli stoccaggi ibridi con Na+ sono emersi negli ultimi anni come una promettente applicazione nel campo dell’energy storage in grado di superare i punti deboli degli accumulatori a ioni di sodio più conosciuti.

Tradizionalmente questo metallo è usato e studiato in due tipi di dispositivi di stoccaggio: batterie e condensatori. Le prime, come spiegato poc’anzi, forniscono oggi una densità di energia relativamente elevata ma sono caratterizzate da una lenta cinetica di ossidoriduzione, che si traduce in una bassa densità di potenza e una scarsa ricaricabilità. I secondi invece hanno un’elevata densità di potenza dovuta all’accumulo di carica tramite rapido adsorbimento di ioni superficiali, ma una densità di energia estremamente bassa.

Tuttavia unire le due tecnologie impiegando catodi di tipo condensatore e degli anodi di tipo batteria, non ha dato subito i risultati sperati. La causa è da ricercare soprattutto nello squilibrio cinetico tra i due tipi di elettrodi.

Nuovi materiali per catodo e anodo

Per arginare il problema il team sudcoreano ha utilizzato sviluppato un nuovo materiale anodico con cinetica migliorata attraverso l’inclusione di materiali attivi fini nel carbonio poroso derivato da strutture metallo-organiche. Inoltre, ha sintetizzato un materiale catodico ad alta capacità e la combinazione dei due ha consentito lo sviluppo di un sistema di accumulo di ioni sodio che ottimizza l’equilibrio e riduce al minimo le disparità nei tassi di accumulo di energia tra gli elettrodi.

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La cella completamente assemblata supera per densità di energia le batterie commerciali agli ioni di litio e presenta le caratteristiche della densità di potenza dei supercondensatori. Nel dettaglio la batteria ibrida al sodio si ricarica rapidamente e raggiunge una densità di energia di 247 Wh/kg e una densità di potenza di 34.748 W/kg. Inoltre gli scienziati hanno registrato una stabilità del ciclo con efficienza Coulombica pari a circa il 100% su 5000 cicli di carica-scarica.

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.