No final de novembro, uma reunião de alto nível dos ministros da ciência europeus será realizada em Paris. Seu trabalho é decidir as próximas prioridades da Agência Espacial Européia (Esa), da qual o Reino Unido ainda é membro, e um dos itens de sua lista a considerar é uma proposta para testar a viabilidade de construção de usinas comerciais em órbita.
Esses enormes satélites se aquecem à luz do sol, convertendo-a em energia e enviando-a para a Terra para ser alimentada na rede elétrica. O projeto proposto, conhecido como Solaris, determinaria se a ideia pode contribuir para a segurança energética futura da Europa ou se tudo ainda está no céu.
Se o estudo for aprovado, será como voltar para casa para a indústria espacial, que sempre esteve na vanguarda do desenvolvimento da energia solar. Um ano depois que os russos lançaram o Sputnik 1 movido a bateria em 1957, os americanos lançaram o Vanguard 1. Este foi o quarto satélite em órbita e o primeiro a gerar sua energia usando energia solar. Desde então, os painéis solares tornaram-se a principal forma de alimentar as naves espaciais, o que ajudou a impulsionar a pesquisa. As células solares da Vanguard 1 converteram apenas 9% da luz solar capturada em eletricidade. Hoje, a eficiência mais que dobrou e continua a aumentar, enquanto o custo de fabricação vem caindo. É uma fórmula vencedora.
“O custo da energia solar vem diminuindo rapidamente nos últimos 20 anos e mais rápido do que a maioria dos players do setor esperava”, diz Jochen Latz, sócio da consultoria de gestão McKinsey & Company. Tanto que, no Oriente Médio e na Austrália, a energia solar é hoje a forma mais barata de gerar eletricidade. De acordo com Latz, à medida que a tecnologia continua a se desenvolver, isso também se tornará realidade nos países de latitude média. “Em 2050, esperamos que mais de 40% da energia na UE venha da energia solar se os países atingirem suas metas comprometidas”, diz Latz. Isso tornaria a energia solar a maior fonte de energia que contribui para a UE.
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No entanto, existem problemas óbvios que precisam de soluções se quisermos utilizar plenamente os painéis solares na Terra. Por um lado, o que fazemos à noite? Em maio, Ned Ekins-Daukes, professor associado da escola de engenharia de energia fotovoltaica e renovável da Universidade de Nova Gales do Sul, Austrália, e sua equipe de pesquisadores demonstraram uma célula solar que poderia gerar eletricidade a partir da emissão de infravermelho em vez de a absorção da luz solar. Isso funciona perfeitamente à noite porque a Terra armazena energia do sol na forma de calor, que depois irradia de volta para o espaço como radiação infravermelha.
O dispositivo protótipo é baseado no mesmo tipo de tecnologia usada em óculos de visão noturna e atualmente pode gerar apenas alguns miliwatts de energia, mas Ekins-Daukes vê o potencial. “Este é o começo – é a primeira demonstração mundial de poder radiativo térmico”, diz ele, indicando que a equipe está buscando um produto final que seja “10.000 vezes mais poderoso”. Nesses níveis, é possível que uma instalação no telhado desses dispositivos, provavelmente fabricados de alguma forma como uma camada adicional aos painéis solares convencionais, capture energia suficiente para alimentar a casa durante a noite – ou seja, manter a geladeira, roteador wifi e assim por diante funcionando. Embora seja uma economia modesta para cada família, multiplicada pela população de um país, torna-se significativa.
Outro problema óbvio com a energia solar é que alguns dias serão nublados. Para aliviar isso, o excesso de eletricidade gerada em dias ensolarados precisa ser armazenado em baterias, mas a capacidade de armazenamento é atualmente lamentável. “A UE precisará de cerca de 200 gigawatts [GW] de armazenamento de bateria até 2030, mas em 2021 havia apenas 2,4 GW de armazenamento, portanto, será necessário um aumento maciço”, diz Aidan McClean, executivo-chefe da UFODrive, um locadora de carros totalmente elétricos.
Para ajudar com esse déficit, McClean defende um esquema chamado Vehicle-to-Grid – V2G – que usa a bateria em um veículo elétrico (EV) para armazenar o excesso de energia gerada pelos painéis solares do telhado de uma casa e depois transferi-la de volta para a casa quando necessário à noite, ou até mesmo vendê-lo para a National Grid em outros períodos de alta demanda. “Se o V2G for amplamente adotado, a capacidade de armazenamento esperada de todos os EVs excederá amplamente quaisquer requisitos de armazenamento esperados que a rede exigirá no futuro”, diz McClean. Um recente teste V2G em Milton Keynes, Buckinghamshire, mostrou que os participantes economizaram dinheiro e reduziram sua pegada de carbono usando um sistema de carregamento “inteligente” que recarregava as baterias quando as energias renováveis estavam gerando eletricidade.
Outra abordagem é usar a energia solar não para gerar eletricidade, mas para produzir combustíveis veiculares sustentáveis. Virgil Andrei, do departamento de química da Universidade de Cambridge, e seus colegas desenvolveram uma fina “folha artificial” que se inspira na fotossíntese. Nas plantas, a fotossíntese absorve luz solar, água e dióxido de carbono (CO 2 ) e os converte em oxigênio e açúcares. Nas folhas artificiais, a saída é syngas, ou gás sintético. Essa mistura de hidrogênio e monóxido de carbono pode ser usada para produzir vários combustíveis por meio de vários processos industriais. É até possível produzir gasolina e querosene.
“Nós imaginamos usar CO 2 da atmosfera ou outros processos industriais e despejá-lo nesses tipos de sistemas para criar combustível verde. Em vez de liberar mais CO 2 na atmosfera, temos apenas uma economia circular de carbono”, diz Andrei. Na verdade, eles pegariam carona nas usinas de captura de carbono, que estão sendo implantadas atualmente para aproveitar o CO 2 dos processos industriais, e o “reciclar” em combustíveis sustentáveis.
A equipe fez uma folha artificial pela primeira vez em 2019 , mas era uma construção volumosa de vidro e metal que ficava em cima de uma bancada. Este ano, no entanto, a equipe anunciou os resultados de uma estrutura menor, semelhante a uma folha, que os pesquisadores flutuaram no rio Cam. A folha foi selada dentro de um saco plástico transparente com o gás precursor e água e depois deixada no rio por vários dias. A equipe então abriu o saco e testou quais gases foram produzidos pela fotossíntese.
As próprias folhas artificiais são compostas de materiais chamados perovskitas. A perovskita arquetípica é um mineral natural de óxido de cálcio e titânio – também conhecido como titanato de cálcio – que foi descoberto em 1839 nos montes Urais da Rússia pelo mineralogista alemão Gustav Rose e recebeu o nome de seu colega russo Lev Perovski. As perovskitas modernas podem ter diferentes constituintes químicos e algumas mostraram que podem funcionar como células solares.
“Esses materiais são muito novos e muito empolgantes”, diz Andrei. Testes de laboratório mostram que eles podem ser mais eficientes do que o silício usado em painéis solares convencionais. As perovskitas podem até substituir o silício nos painéis solares do futuro, pois podem ser fabricadas com mais facilidade e em camadas finas e flexíveis. Outro bônus é que esses materiais produzem correntes e voltagens mais altas do que seus equivalentes de silício, o que permite processos mais energéticos, como as reações que foram usadas no estudo das folhas artificiais.
Por mais promissor que tudo isso pareça, porém, há um problema insuperável ao gerar energia solar a partir da superfície da Terra: a atmosfera. As moléculas em nossa atmosfera espalham cerca de metade da luz solar do feixe direto. Essa luz espalhada quicando é o que cria o céu azul com o qual estamos tão familiarizados. No espaço, não há atmosfera, então a luz do sol não é diluída. E como descobriram os engenheiros aeroespaciais no início da corrida espacial, coloque um painel solar em órbita e ele gerará automaticamente cerca de duas vezes mais energia do que o painel equivalente na Terra. Sem surpresa, engenheiros e visionários sonham em colocar satélites produtores de energia solar em órbita há décadas.
O princípio básico é simples. Uma frota de naves espaciais com painéis solares gigantes coleta a luz do sol, antes de convertê-la em energia e depois irradiar essa energia de volta para a Terra. Como você transmite energia sem fio pelo espaço? Acontece que estamos fazendo isso há décadas. Todos os satélites de telecomunicações desde a década de 1960 usam um painel solar para gerar eletricidade, que é então convertida em um sinal de micro-ondas e enviado para a Terra. No solo, as antenas convertem as micro-ondas de volta em energia elétrica e lêem os sinais. “A física envolvida em toda essa cadeia é exatamente a mesma para a energia solar baseada no espaço, mas a escala dela é completamente diferente”, diz Sanjay Vijendran, da Esa, que está coordenando o programa Solaris proposto para estudar a viabilidade da energia solar baseada no espaço.
A cada poucas décadas desde o início da corrida espacial, a ideia de energia solar espacial tem sido investigada. Em todas as ocasiões, a história foi a mesma: o custo de lançamento de satélites tão grandes é proibitivo. Mas agora as coisas são diferentes.
“Em 2015, um milagre acontece. O foguete reutilizável Falcon 9 voa pela primeira vez”, diz John Mankins, ex-físico da Nasa que agora é presidente da Artemis Innovation Management Solutions. Mankins é especialista em satélites de energia solar, tendo trabalhado em muitos dos estudos de viabilidade ao longo das décadas. Com o advento de um foguete verdadeiramente reutilizável, o custo de enviar equipamentos para órbita está caindo. Em vez de custar cerca de US$ 1.000 para lançar cada quilo no espaço, Mankins agora espera que o preço caia para cerca de US$ 300 por quilo. “Esse é o santo graal da energia solar espacial. Não é apenas possível algum dia, é inevitável nos próximos cinco ou sete anos”, diz ele.
Outros são igualmente otimistas. Em setembro de 2021, a Frazer-Nash Consultancy publicou um relatório para o governo do Reino Unido que concluiu: “A energia solar espacial é tecnicamente viável, acessível e pode trazer benefícios econômicos substanciais para o Reino Unido e apoiar caminhos de zero líquido”. No final de agosto, a Esa divulgou seus próprios estudos sobre energia solar baseada no espaço, que chegaram a uma conclusão semelhante para toda a Europa. Como resultado, a agência solicitará em novembro que seus estados membros financiem um estudo de viabilidade de três anos em satélites de energia solar para examinar em detalhes se esse sistema pode se tornar comercialmente viável. “O Solaris é uma ponte para verificar se isso é realmente factível e que realmente ajudaria antes de pedirmos bilhões de euros”, diz Vijendran.
Quer esses satélites entrem ou não em órbita, não há dúvida de que a energia solar deve dominar o cenário energético do futuro. E, como mostra a atual crise na Ucrânia, isso pode levar a uma melhor segurança energética, além de reduzir nossa produção de carbono.
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