La trasmissione di potenza elettrica nello spazio è uno degli ambiti di ricerca spaziale più interessanti, e potenzialmente capaci di dare un’altra svolta a come e perché usufruiamo dell’ambiente spaziale. L’applicazione di questa tecnologia potrebbe avere due diversi utilizzi: la trasmissione di potenza elettrica da un mezzo all’altro nello spazio, oppure da un mezzo nello spazio ad una stazione ricevente a Terra.

Recentemente il Caltech (California Institute of Technologies) ha dichiarato di aver ottenuto i primi successi nel funzionamento dell’esperimento MAPLE, che si trova nello spazio e dimostra entrambe le applicazioni sopracitate. A bordo del piccolo dispositivo, montato sul satellite dimostrativo Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1), è stata trasferita con successo della potenza elettrica per circa 30 cm di ambiente spaziale, e utilizzata per far accendere dei LED.

Successivamente, è stato testato anche l’invio a Terra, dove dal tetto di un edificio del Caltech hanno rilevato il segnale, segno che la trasmissione della microonda è possibile, anche se è arrivata troppo debole per essere riconvertita in energia elettrica.

La trasmissione di potenza elettrica nello spazio

Facciamo un passo indietro. Per trasmettere della corrente elettrica nello spazio, c’è bisogno innanzitutto di immagazzinarla e poi di trasmetterla. Per farlo bisogna trasformare l’energia in onde elettromagnetiche, nel caso dell’esperimento MAPLE, in microonde. Esse trasportano energia e quindi potenza (energia per unità di tempo), che può essere “ricevuta” da un ricevitore che la converte in corrente elettrica. Il concetto non è molto diverso (per lo meno per la parte ricevente) di quando un pannello solare converte le onde elettromagnetiche del Sole in energia elettrica.

Il concetto chiave della tecnologia di trasmissione di potenza elettrica risiede però in un’altra proprietà delle onde, chiamata interferenza. Quando due onde, provenienti da due sorgenti diverse “si scontrano”, possono sommarsi o cancellarsi, con tutte le sfumature possibili fra questi due estremi.

Modulando con precisione la sorgente, si riesce ad originare una zona ben precisa dove le onde si sommano, mentre nel resto dello spazio si cancellano. In questo caso, come indicato dall’immagine poco sopra, si crea un fascio (più o meno ampio) dove si propaga la maggior parte della potenza e dell’energia delle onde sorgenti.

In questo modo si crea un fascio di onde di dimensioni contenute, dove la potenza elettrica è concentrata, e la cui direzione e intensità può essere variata cambiando le proprietà delle sorgenti, senza quindi muovere pezzi meccanici.

L’esperimento SSPD-1 del Caltech

L’esperimento SSPD-1 fa parte di un programma più ampio, chiamato Space Solar Power Project (SSPP), guidato dai Professori Ali Hajimiri e Sergio Pellegrino del Caltech. SSPD-1 è formato da tre diversi esperimenti, tutti montati a bordo del satellite Momentus Space Vigoride 5, lanciato il 3 gennaio a bordo della missione Transporter 6 di SpaceX. I tre esperimenti che costituiscono questo primo dimostratore sono chiamati Alba, DOLCE e MAPLE.

Alba è formato da una gruppo di 32 diverse celle solari, separate fra di loro e ognuna realizzata con tecnologie e metodi diversi. Si tratta in pratica di un banco di prova per celle solari. Ci sono celle costruite in perovskite, un minerale costituito da titanato di calcio, altre costruite con giunzioni III-V diffuse, altre in Silicio ecc. I risultati di questo esperimento sono attesi per i prossimi mesi.

DOLCE è invece un dimostratore di una nuova tecnologia di meccanismi e bracci estensibili, che saranno utili al supporto di nuovi pannelli solari nello spazio, in grado di aprirsi e distendersi, supportati da un punto di vista fisico, proprio da questi nuovi meccanismi. Al centro dell’esperimento è inoltre presente un braccio estensibile, sulla cima del quale sono montate delle telecamere che riprenderanno tutto il processo di estensione dell’esperimento DOLCE. Anche i risultati di questo test sono attesi per i prossimi mesi.

MAPLE

Infine MAPLE, oggetto di questo articolo, è l’esperimento con il quale sono stati ottenuti i primi risultati di trasmissione della potenza elettrica. Si tratta di una “scatola” delle dimensioni di un satellite 6U, del peso di circa 2.6 kg. Ad una estremità del lato lungo, sulla parete interna, sono montati 32 array di antenne, che servono alla trasmissione delle microonde, che avviene a 9.884 GHz. Su questa parete è disposta anche una telecamera.

Nel lato opposto, distante circa 30 cm, è disposta un’antenna ricevente, insieme ad una piccola finestra in vetro di Zaffiro. Una parte delle microonde quindi, quella che attraversa la “finestra” è destinata all’esperimento di ricezione a Terra. Sui due lati lunghi invece, sono disposte un’altra antenna ricevente e un’altra telecamera.

I risultati

L’esperimento è stato condotto con successo all’interno della camera di MAPLE, riuscendo ad accendere a comando dei led con l’energia elettrica prodotta dall’apparato ricevente. Seppur si tratti di una trasmissione di soli 30 cm, è avvenuta nel pieno dell’ambiente spaziale, e non era mai stato fatto prima in queste condizioni. L’esperimento non è infatti sottovuoto, ed è quindi sottoposto a tutte le condizioni dello spazio esterno.

Gli esperimenti condotti finora ci hanno confermato che MAPLE è in grado di trasmettere energia ai ricevitori nello spazio. Siamo anche riusciti a programmare l’array per dirigere la sua energia verso la Terra, cosa che abbiamo rilevato qui al Caltech. Naturalmente lo avevamo testato sulla Terra, ma ora sappiamo che può sopravvivere al viaggio nello spazio e operare lì.

Ali Hajimiri

Questo esperimento, compreso il successo della trasmissione dell’onda a Terra, è un primo passo del programma SSPP del Caltech, che ha l’obbiettivo di costruire un’intera costellazione di satelliti in orbita per la trasmissione della potenza elettrica, sia fra oggetti nello spazio che sulla Terra.

SSPP è iniziato nel 2011 grazie ad un finanziamento privato dell’imprenditore Donald Bren, presente anche nel board of Trustees del Caltech. Il finanziamento iniziale è stato di 100 milioni di dollari, mentre altri 12.5 milioni sono stati forniti da Northrop Grumman Corporation.

A questo link si può recuperare un paper descrittivo dell’esperimento.

A questo link invece l’articolo di presentazione del Caltech.

A questo link un video esplicativo del Caltech sul fenomeno dell’interferenza.