Dispiegare enormi pannelli solari in orbita attorno alla Terra per fornire elettricità all’umanità. Nessuna nuvola intermedia, nessuna alternanza giorno-notte: questo evita l’intermittenza, uno dei maggiori inconvenienti dell’energia solare sulla Terra.
Una tale centrale solare orbitale fu proposta per la prima volta nel 1941 da Isaac Asimov, in un racconto intitolato Reason. Da allora, l’idea ha guadagnato sostenitori e si è diffusa, così allettante che nell’agosto 2022 si è appreso, tramite il suo direttore generale, che l’Agenzia spaziale europea la sta prendendo in considerazione. Londra afferma inoltre di voler lanciare in orbita 30 gigawatt di pannelli solari a partire dal 2045, mentre Washington e Pechino hanno annunciato di lavorare in questa direzione.
In effetti, l’energia solare è una delle energie più accettabili a nostra disposizione.
L’idea di inviare centrali fotovoltaiche nello spazio è tecnologicamente credibile? Forse… ma, come vedremo, non permette di rispondere all’urgenza della sfida climatica.
Sotto il sole
L’energia solare è disponibile in grandi quantità e distribuita su tutta la superficie del globo. Sicuramente di più in Marocco, con le sue 3.000 ore di sole all’anno, che in Norvegia, illuminata la metà. Inoltre, questa energia genera pochi rifiuti, nessuna emissione di gas serra durante la sua fase di produzione di energia elettrica e poco durante tutto il suo ciclo di vita, rispetto alle fonti fossili. Insomma, tra le energie rinnovabili, l’energia solare ha una buona reputazione. Nulla è perfetto, i pannelli solari sono avidi di silicio e rame e soprattutto, il sole si ferma di notte, e… quando ci sono le nuvole.
Ma in una centrale elettrica orbitale non c’è, né notte né nuvole! I pannelli solari sarebbero in orbita geostazionaria, a un’altitudine di 36.000 chilometri. Attraverserebbero l’ombra della Terra meno dell’1% delle volte. È molto meglio che in orbita bassa: infatti, la stazione spaziale internazionale, a quota 450 chilometri, a causa del passaggio regolare nell’ombra della Terra, vede i suoi pannelli solari perdere circa il 30% della potenza della luce solare.
Come riportare l’energia sulla Terra?
Cominciamo dimenticandoci della trasmissione via cavo, perché un cavo di questa lunghezza, anche se fosse fattibile, sarebbe uno problema per tutti gli aerei e satelliti.
Anche se più attraente, dimentichiamo anche il laser. Anche operando nell’intervallo di lunghezze d’onda che l’atmosfera lascia passare, le interazioni del raggio con le molecole dell’aria (assorbimento e diffusione) complicherebbero singolarmente la trasmissione dell’energia, e questo tanto più così come l’umidità e la nuvolosità sono importanti. Ciò solleverebbe anche qualche perplessità sull’uso militare di un dispositivo così potente: si tratta qui di trasferire gigawatt, mille volte di più di un laser militare in grado di neutralizzare un veicolo blindato.
L’opzione attualmente in aumento è convertire l’energia luminosa raccolta in elettricità, che a sua volta viene convertita in un raggio di microonde inviato verso la Terra. Questo raggio verrebbe raccolto dalla regione verticale della superficie terrestre, dove verrebbe riconvertito in elettricità.
L’azienda Airbus ha recentemente annunciato il successo di un test a terra effettuato a Monaco con l’azienda Emrod: un’antenna trasmittente di 2 metri di diametro che converte una potenza iniziale di 10 kilowatt in microonde di 5,8 gigahertz ha permesso di trasferire 2 kilowatt a 36 metri di distanza.
Quale guadagno energetico rispetto ad un impianto a terra?
Il fatto stesso che le aziende stiano testando il processo suggerisce che potrebbe essere economicamente sostenibile. Ma la fisica impone dei limiti, in termini di guadagno energetico, occupazione dello spazio e ritmo di installazione.
Primo vantaggio sulla carta: un pannello solare in orbita geostazionaria sempre ben orientato verso il Sole, e non soggetto ai capricci delle nuvole, fornisce secondo dei calcoli circa tre volte più energia del suo omologo in una regione ben esposta, come ad esempio il Sahara. Può sembrare molto, ma non è all’altezza della sfida. Infatti, la doppia conversione (dell’elettricità in microonde, poi di nuovo in elettricità) provoca necessariamente delle perdite: attualmente, perdiamo la metà della potenza. Il vero guadagno, rispetto ad un impianto a terra, non è quindi di tre, ma solo di 1,5.
Può compensare il disagio (o addirittura l’impossibilità) di intervenire per la manutenzione, e cosa rappresenta la sua messa in orbita in termini di dispendio di materiali, energia, denaro e inquinamento?
Di che superficie si parla?
Secondo vantaggio sulla carta: la centrale orbitale dovrebbe evitare l’accaparramento e l’artificializzazione della superficie terrestre, che può essere utilizzata per molte altre cose (vivere, coltivare, conservare, ecc.)
In realtà captare l’energia inviata da una centrale orbitale, diciamo qualche gigawatt come possiamo immaginare a lungo termine, richiede una superficie al suolo molto ampia. Infatti, un fascio di microonde non è una linea retta sottile, né tanto meno un fascio convergente come potrebbe far credere una prospettiva abile o un’illustrazione davvero falsa. È un cono divergente: punta sottile all’inizio, base ampia alla fine.
Questo fenomeno chiamato “diffrazione” non è trascurabile. Uno studio della NASA pubblicato nel 1978 ha discusso il caso di una centrale solare orbitale in grado di fornire 5 gigawatt di potenza al suolo (da 75 gigawatt di luce solare catturata). Richiedeva un’antenna trasmittente di 1 chilometro di diametro posta in orbita e un’antenna ricevente a terra di 13 x 10 chilometri (poco più dell’area di Parigi), se la trasmissione di energia avveniva con un fascio di microonde con frequenza di 2,45 gigahertz.
La dimensione dell’antenna può essere ridotta utilizzando un intervallo di frequenze più elevato pur rimanendo in grado di attraversare l’atmosfera, almeno finché questa non sia troppo umida. La frequenza di 100 gigahertz potrebbe essere un buon compromesso: l’antenna in orbita avrebbe quindi 30 metri di diametro, e sarebbe associata a una superficie di captazione a terra di 3,6 chilometri di diametro (centododici volte il diametro dell’antenna), ovvero una superficie a terra dell’ordine di 10 chilometri quadrati.
Confronta questo con le dimensioni delle più potenti centrali solari onshore: Bhadla in India, 8 chilometri di diametro, o Benban, in Egitto, 7 chilometri di diametro, hanno capacità installate rispettivamente di 2,2 e 1,7 gigawatt. In altre parole, il guadagno atteso andando nello spazio si rivela deludente: la presa al suolo è dello stesso ordine di quella di una centrale terrestre di potenza paragonabile.
Da fare in fretta
Infine, pensiamo alla corsa contro il cambiamento climatico. È necessario chiudere il maggior numero possibile di centrali termiche il più velocemente possibile. Alcuni gigawatt messi in orbita tra dieci o vent’anni non pesano molto rispetto ai 66 gigawatt di pannelli solari installati solo in Cina nel 2022. E soprattutto di fronte alla decrescita indispensabile alla luce della attuale crisi energetica, materiale e ambientale: dobbiamo ridurre, ora e massicciamente, il nostro consumo totale di energia. Infatti, l’unico energia veramente pulita è quella che non viene consumata.
