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Cosechar energía con paneles solares espaciales podría alimentar la Tierra las 24 horas del día, los 7 días de la semana

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¿Podría la energía solar espacial algún día cambiar el mundo?

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La energía solar ha sido una parte clave del repertorio de energía limpia de la humanidad. Hemos esparcido masas de paneles solares sobre campos solares, y muchas personas alimentan sus hogares decorando sus techos con rectángulos.

Pero hay una advertencia sobre esta maravillosa potencia. Los paneles solares no pueden recolectar energía por la noche. Para funcionar con su máxima eficiencia, necesitan tanta luz solar como sea posible. Entonces, para maximizar el rendimiento de estos colectores solares, los investigadores planean enviarlos a un lugar donde el sol nunca se pone: el espacio exterior.

Teóricamente, si se pusieran en órbita un montón de paneles solares, absorberían el sol incluso en los días más brumosos y las noches más oscuras, almacenando una enorme cantidad de energía. Si esta energía se transmitiera de forma inalámbrica a la Tierra, nuestro planeta podría respirar energía limpia y renovable las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Quien seria significativamente Reducir nuestra huella de carbono.

En medio de una crisis climática que empeora, el éxito de la energía solar espacial podría ser más importante que nunca. El estado del clima está en el centro de atención en este momento mientras los líderes mundiales se reúnen en Glasgow, Escocia para la cumbre COP26, que ha sido convocada la «mejor última oportunidad del mundo» para controlar la crisis.

CNET Science destaca algunas estrategias futuristas diseñadas para ayudar a los países a reducir las emisiones de carbono provocadas por el hombre. Las tecnologías de próxima generación como la energía solar basada en el espacio no pueden resolver nuestros problemas climáticos, todavía necesitamos descarbonizar rápidamente nuestros sistemas de energía, pero la innovación verde podría ayudar a cumplir con los objetivos del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global muy por debajo de los 2 grados Celsius (3,6 grados Fahrenheit). a finales de siglo.

Un suministro ilimitado de energía renovable del sol podría ayudarnos a lograrlo.

De la ciencia ficción a la realidad

Durante décadas, la energía solar espacial ha estado presente en la mente de los entusiastas de la ciencia ficción y los científicos.

A principios de 1900, Matemático-científico ruso Konstantin Tsiolkovsky Producía regularmente una avalancha de diseños futuristas que imaginaban la tecnología humana más allá de la Tierra. Es responsable de evocar cosas como ascensores espaciales, cohetes orientables y, lo adivinaste, energía solar espacial.

Desde que Bell Labs inventó el primer «panel solar» de hormigón en la década de 1950, científicos internacionales trabajaron para hacer realidad la fantasía de ciencia ficción de Tsiolkovsky. Ellos entienden Investigadores japoneses, los ejército de estados unidos y un equipo del Instituto de Tecnología de California punta de lanza del proyecto Space Solar Power.

La energía solar espacial «se estudió extensamente a finales de los años sesenta y setenta, algo así como en el apogeo del programa Apolo», dijo Michael Kelzenberg, investigador principal del proyecto.

Desafortunadamente, debido al peso y al volumen de los materiales, la tecnología en ese momento no estaba lo suficientemente avanzada para lograr la hazaña de una manera rentable. Habría sido excepcionalmente difícil enviar paneles solares convencionales al espacio a través de un cohete sin romper el banco.

«La característica única y definitoria del enfoque de Caltech es su enfoque en reducir la masa de componentes de 10 a 100 veces», dijo Harry Atwater, investigador principal del proyecto. «Esto es esencial para reducir los costos de fabricación y lanzamiento con el fin de hacer que la energía solar espacial sea económica».

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Un prototipo estructural de los paneles solares más ligeros de Caltech.

Caltech / El proyecto de energía solar espacial

Un cielo lleno de paneles solares.

En lugar de utilizar un cohete para transportar paneles solares tradicionales al espacio, el equipo de Caltech aboga por un nuevo tipo de panel que sea más ligero, más compacto y plegable. Sugieren poner en órbita una gran cantidad de estos paneles solares aéreos en forma de mini baldosas.

Cada teja individual tiene todo lo que necesita, como energía fotovoltaica, para recolectar energía solar. Cuando se conectan en el espacio, los pequeños cuadrados forman esencialmente una mina gigante de energía renovable que flota alrededor de la Tierra.

Si bien el equipo analizó una variedad de compuestos para crear la estructura ultraligera ideal, algunos son en realidad menos eficientes que los paneles solares terrestres. Pero Kelzenberg señala que en el espacio, la «eficiencia» adquiere un nuevo significado.

«El aumento en la eficiencia realmente proviene del hecho de que al colocarlos en el espacio, reciben mucha luz solar intensa porque la luz solar no tiene que atravesar la atmósfera», dijo. «También reciben luz solar, básicamente las 24 horas del día».

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Cada pequeño panel solar es parte de algo mucho, mucho más grande.

Caltech / El proyecto de energía solar espacial

Cuando el sol brillaba sobre estos paneles, absorbían corriente continua o haces de energía de corriente continua. En el mecanismo del equipo, esta energía se traduciría en radiofrecuencias. El siguiente paso sería devolver este poder a la Tierra.

Esto sucedería, según el equipo, por radiación de microondas. La energía de radiofrecuencia se proyectaría hacia nuestro planeta en áreas que recuerdan los campos solares del desierto. Pero en lugar de lo que suelen ser los paneles solares, estas regiones contendrían receptores con antenas que recogen la energía recolectada.

Es básicamente transferencia de energía inalámbrica, algo Nikola Tesla aludió a finales del siglo XIX.

El uso de dicha radiación, dice Kelzenberg, permite que el sistema funcione con lluvia y niebla, de noche y durante tormentas eléctricas leves, y es probable que solo se vea afectado por las condiciones climáticas más severas. Sin embargo, una pregunta que a menudo se plantea sobre los patrones de radiación inalámbrica es si tendrían un impacto negativo en la vegetación o en las características del terreno.

Atwater dice que eso no es un problema.

«La densidad de potencia recibida en la Tierra sería equivalente a la densidad de potencia de la luz solar en un día soleado», explicó. «Y los sistemas de energía solar espacial pueden diseñarse para ser intrínsecamente seguros en este sentido».

Como medida de seguridad adicional, dice Kelzenberg, se pueden tomar medidas familiares, como acordonar el área de recepción. Las torres de telefonía celular, que utilizan una forma similar de comunicación por ondas de radio, hacen lo mismo.

Después de que los receptores terrestres recuperaran la energía en forma de radiofrecuencias, trabajarían con una estación terrestre para convertirla nuevamente en energía de CC, que luego se transformaría en corriente alterna, o corriente alterna, alimentada a la red eléctrica. cuadrícula, dijo Atwater.

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La transferencia de energía inalámbrica podría ayudarnos a ofrecer energía limpia las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Caltech / El proyecto de energía solar espacial

Es un proceso complejo, pero ese último elemento, la corriente alterna, es la electricidad tradicional y corriente que fluye a través de los tomacorrientes de su hogar para cargar su iPhone y darle vida a su computadora portátil. Listo.

Teletransportar la Tierra, Scotty

«Nuestro primer vuelo espacial para demostrar la tecnología de componentes espaciales de energía solar está programado para fines de 2022, en una nave espacial comercial», dijo Atwater.

Si bien el equipo no lanzará el negocio real, llevará a cabo un experimento que demuestra la viabilidad de tecnologías de menor escala. Será una fortuna y una forma de invención más sencilla. Incluso enviarán una serie de células solares que nunca antes habían visto el vacío del espacio.

Pero un día, si la energía solar espacial se convierte en realidad, podría cambiar el mundo.

Esto no solo ayudaría a alimentar áreas remotas y equilibrar la red eléctrica para evitar apagones, sino que también podría enviar energía a las operaciones mineras en otros planetas.

“La energía solar espacial se puede desplegar en áreas remotas de la Tierra donde no existe una red eléctrica; también podría usarse para generar energía base en la Luna o en Marte a través de un esquema similar de producción de energía orbital y radiación a la superficie ”, explicó Atwater.

Más importante aún, la energía que los humanos podrían generar a través de la energía solar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sería suficiente para satisfacer las crecientes demandas de nuestro planeta e incluso reemplazar la energía nuclear o de carbón. «Esto representa una fuente ‘básica’ de energía que siempre está disponible, a diferencia de los paneles solares en la Tierra», dijo Atwater.

Kelzenberg agregó: «Por eso creemos que esto puede desempeñar un papel importante en el avance hacia una red eléctrica totalmente neutra en carbono en el futuro».

Por supuesto, queda un largo camino por recorrer. Incluso si el experimento del equipo en 2022 tiene éxito, existen costos de fabricación a considerar, así como preguntas legales sobre la ocupación del espacio orbital (puede haber restricciones gubernamentales). Las preguntas sobre la viabilidad de reemplazar las redes eléctricas conocidas con plantas de energía solar espacial también permanecerán.

Pero al final de este camino, podemos encontrar algo dorado.

“Creo que ciertamente podemos estar de acuerdo en que obtener un panel solar barato y colocarlo en el suelo costará mucho menos que lanzar uno al espacio”, dijo Kelzenberg. «Pero la verdadera virtud de la energía solar espacial es su capacidad para proporcionar energía solar día y noche».

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No te pierdas el cometa Leonard y los meteoritos Gemínidas

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¿Qué hay de nuevo en diciembre? Los momentos más destacados de la tarde, la oportunidad de atrapar un cometa y los meteoros Gemínidas anuales.

Del 6 al 10 de diciembre, mire hacia el oeste después de la puesta del sol para el Moon Tour Venus, Saturno, y Júpiter a su vez. La luna creciente se llena a medida que aparece más alto en el cielo cada noche durante la semana.

La Luna alterna entre Venus, Saturno y Júpiter cada noche después de la puesta del sol, del 6 al 10 de diciembre. Crédito: NASA / JPL-Caltech

No obstante, disfrute de la deslumbrante vista de Venus como la «estrella de la tarde» mientras dure. Nuestro planeta vecino cubierto de nubes se hundirá cada vez más cerca del horizonte durante el transcurso del mes, desapareciendo para la mayoría de nosotros para el Año Nuevo. Reaparecerá a finales de enero como un planeta matutino antes del amanecer y no volverá a aparecer en el cielo de la tarde hasta diciembre del próximo año.

El próximo mes de diciembre, un cometa recién descubierto se dirige hacia el interior del sistema solar y vale la pena intentarlo. Es conocido como el cometa Leonard y estará más cerca de la Tierra el 12 de diciembre, solo unas semanas antes de que alcance su distancia más cercana al Sol.

Mapa estelar del cometa Leonard 2021

Mapa del cielo que muestra la posición del cometa Leonard en el este aproximadamente 2 horas antes del amanecer, del 1 al 10 de diciembre. Es posible que se necesiten binoculares para observar el cometa. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Ahora, los cometas son muy difíciles de predecir en términos de brillo y visibilidad. Se espera que el cometa Leonard alcance un brillo máximo que probablemente requiera binoculares para detectarlo. Existe la posibilidad de que sea lo suficientemente brillante como para verlo a simple vista, pero de nuevo, con los cometas, nunca se sabe realmente.

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Durante las dos primeras semanas de diciembre, el cometa Leonard se encuentra en el este antes del amanecer, pasando entre Arcturus y Big Dipper Cove. Se acerca al horizonte justo cuando se acerca a la Tierra, lo que significa que probablemente será más brillante pero más difícil de observar. Luego se convierte en un objeto vespertino alrededor del 14 de diciembre, solo un poco después de la puesta del sol, ya que comienza su largo viaje hacia afuera desde el Sol nuevamente, disminuyendo gradualmente su brillo.

Finalmente, el Meteoritos gemínidas son un punto culminante del cielo de diciembre todos los años. La lluvia de meteoritos de este año alcanza su punto máximo en la noche del 13 y 14 de diciembre. Además del clima, la fase de la Luna suele ser el factor principal para determinar si una lluvia de meteoritos tendrá buena visibilidad en un año determinado. Este año, la Luna estará casi llena en un 80% en la parte superior de las Gemínidas, lo que no es ideal. Sin embargo, esta luna brillante se pondrá en algún lugar alrededor de las 2 a.m. sin importar dónde se encuentre, dejando unas horas para observar los meteoros antes del amanecer.

Geminid Meteora 2021 Sky Map

Mapa del cielo que muestra la región del cielo desde la que parecen irradiar los meteoros Gemínidas. El aguacero de este año se ve mejor después de la puesta de la luna en la mañana del 14 de diciembre. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Los meteoritos parecen irradiar desde la constelación de Géminis, que encontrarás en lo alto del oeste. Ahora, mientras que la mayoría de las lluvias de meteoros anuales son causadas por el paso de la Tierra a través de senderos de partículas de escombros cometarios del tamaño de polvo, las Gemínidas son una de las pocas lluvias de meteoritos causadas por escombros de un asteroide que viaja a través de la órbita de la Tierra, en este caso, uno llamado Phaeton. .

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Recientemente, Nasa Los científicos han compartido hallazgos que sugieren que la diferencia entre un asteroide y un cometa puede ser menos clara de lo que pensábamos, ya que el sodio chispeante en Phaethon juega el mismo papel que la vaporización del hielo en los cometas.

Y ya sea que vislumbre el cometa Leonard o los meteoros del asteroide Phaethon, ambos son recordatorios de las profundas conexiones entre la Tierra y el resto del sistema solar que descubrimos porque miramos hacia afuera y exploramos.

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Horoscopo

La NASA lanzará una demostración de láser que podría revolucionar la comunicación espacial

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La próxima demostración de relés de comunicaciones láser de la NASA podría revolucionar la forma en que la agencia se comunica con futuras misiones en todo el sistema solar.

Estos láseres podrían generar más videos y fotos de alta definición desde el espacio que nunca, según la agencia.

Se espera que la misión sea lanzada como una carga útil a bordo del Programa de Prueba Espacial Satélite 6 del Departamento de Defensa de EE. UU. El 5 de diciembre desde Cabo Cañaveral, Florida. La ventana de lanzamiento permanecerá abierta de 4:04 a.m. a 6:04 a.m. ET, y la agencia compartirá cobertura en vivo del lanzamiento en NASA TV y su sitio de Internet.

Desde 1958, la NASA ha utilizado ondas de radio para comunicarse con sus astronautas y misiones espaciales. Si bien se ha demostrado que las ondas de radio tienen éxito, las misiones espaciales se están volviendo más complejas y recopilan más datos que nunca.

Piense en los láseres infrarrojos como la versión de comunicaciones ópticas de Internet de alta velocidad, en contraposición a la frustrantemente lenta Internet de acceso telefónico. Las comunicaciones láser enviarán datos a la Tierra desde una órbita sincrónica con la rotación de la Tierra, 22,000 millas (35,406 kilómetros) sobre la superficie de la Tierra a 1.2 gigabits por segundo, esto es como descargar una película completa en menos de un minuto.

Mejorará las tasas de transmisión de datos de 10 a 100 veces mejor que las ondas de radio. Los láseres infrarrojos, que son invisibles a nuestros ojos, tienen longitudes de onda más cortas que las ondas de radio, por lo que pueden transmitir más datos a la vez.

Con el sistema de ondas de radio actual, se necesitarían nueve semanas para devolver un mapa completo de Marte, pero los láseres podrían hacerlo en nueve días.

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La demostración del relé de comunicación láser es el primer sistema de relé láser de extremo a extremo de la NASA que enviará y recibirá datos desde el espacio a dos estaciones terrestres ópticas en Table Mountain, California, y Haleakalā, Hawaii. Estas estaciones tienen telescopios capaces de recibir luz láser y traducirla en datos digitales. A diferencia de las antenas de radio, los receptores de comunicaciones láser pueden ser hasta 44 veces más pequeños. Debido a que el satélite puede enviar y recibir datos, es un verdadero sistema bidireccional.

La única perturbación de estos receptores láser en el suelo Son las perturbaciones atmosféricas, como las nubes y las turbulencias, las que pueden interferir con las señales láser que atraviesan nuestra atmósfera. Las ubicaciones remotas de los dos receptores se eligieron teniendo esto en cuenta, ya que ambos generalmente tienen condiciones climáticas despejadas a grandes altitudes.

Una vez que la misión llegue a la órbita, el equipo del centro de operaciones en Las Cruces, Nuevo México, activará la demostración del relé de comunicación láser y la preparará para enviar pruebas a las estaciones terrestres.

El telescopio más poderoso jamás construido está a punto de cambiar nuestra visión del universo

Se espera que la misión pase dos años realizando pruebas y experimentos antes de comenzar a respaldar misiones espaciales, incluida una terminal óptica que se instalará en la Estación Espacial Internacional en el futuro. Podrá enviar datos de experimentos científicos en la estación espacial al satélite, que los retransmitirá a la Tierra.

La demostración actúa como un satélite de retransmisión, eliminando la necesidad de futuras misiones de tener antenas con una línea de visión directa a la Tierra. El satélite podría ayudar a reducir los requisitos de tamaño, peso y energía de las comunicaciones en naves espaciales futuras, aunque esta misión es aproximadamente del tamaño de un colchón gigante.

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Esto significa que las misiones futuras podrían ser más baratas de lanzar y tener espacio para más instrumentos científicos.

Otras misiones actualmente en desarrollo que podrían probar las capacidades de comunicación láser incluyen el sistema de comunicaciones ópticas Orion Artemis II, que permitirá la transmisión de video de ultra alta definición entre la NASA y los astronautas de Artemis que se aventuran a la luna.

Y la misión Psyche, que se lanzará en 2022, llegará a su destino de asteroide en 2026. La misión estudiará un asteroide metálico a más de 150 millones de millas (241 millones de kilómetros) de distancia. y pruebe su láser de comunicación óptica de espacio profundo para enviar datos a la Tierra.

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Horoscopo

Los físicos explotan las simetrías espaciales y temporales para controlar los materiales cuánticos

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Transporte cuántico en una cadena de resonadores que obedecen a simetrías de reflexión espacial e inversión temporal. Crédito: Vasil Saroka

Los físicos de Exeter y Trondheim han desarrollado una teoría que describe cómo se pueden explotar la reflexión espacial y las simetrías de inversión del tiempo, lo que permite un mejor control del transporte y las correlaciones dentro de los materiales cuánticos.


Dos físicos teóricos, de la Universidad de Exeter (Reino Unido) y la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (en Trondheim, Noruega), han construido una teoría cuántica que describe una cadena de resonadores cuánticos que satisfacen las simetrías de la reflexión espacial y la inversión del tiempo. Mostraron cómo las diferentes fases cuánticas de tales cadenas están asociadas con fenómenos notables, que pueden ser útiles en el diseño de futuros dispositivos cuánticos basados ​​en fuertes correlaciones.

Una distinción común en física es entre sistemas abiertos y cerrados. Los sistemas cerrados están aislados de cualquier entorno externo, por lo que se conserva la energía porque no hay ningún lugar al que escapar. Los sistemas abiertos están conectados con el mundo exterior y, a través de intercambios con el medio ambiente, están sujetos a ganancias y pérdidas de energía. Hay un tercer caso importante. Cuando la energía que entra y sale del sistema está finamente equilibrada, se produce una situación intermedia entre la apertura y el cierre. Este equilibrio puede ocurrir cuando el sistema obedece a una simetría combinada de espacio y tiempo, es decir, cuando (1) cambiar de izquierda a derecha y (2) invertir la flecha del tiempo dejan el sistema esencialmente sin cambios.

En su última investigación, Downing y Saroka discuten las fases de una cadena cuántica de resonadores que satisfacen la reflexión espacial y las simetrías de inversión del tiempo. Hay principalmente dos fases de interés, una fase trivial (acompañada de física intuitiva) y una fase no trivial (marcada por una física sorprendente). La frontera entre estas dos fases está marcada por un punto excepcional. Los investigadores encontraron las ubicaciones de estos puntos excepcionales para una cadena con un número arbitrario de resonadores, proporcionando información sobre la escala de los sistemas cuánticos que obedecen a estas simetrías. Es importante destacar que la fase no trivial permite efectos de transporte no convencionales y fuertes correlaciones cuánticas, que se pueden utilizar para controlar el comportamiento y la propagación de la luz a escalas de longitud nanoscópicas.

Este estudio teórico puede ser útil para la generación, manipulación y control de la luz en materiales cuánticos de baja dimensión, con miras a construir dispositivos basados ​​en la luz que exploten fotones, partículas de luz, como caballos de batalla hasta tamaños de aproximadamente una milmillonésima parte de un metro. .

Charles Downing, de la Universidad de Exeter, comentó: «Nuestro trabajo sobre la simetría de paridad-tiempo en sistemas cuánticos abiertos subraya aún más cómo la simetría sustenta nuestra comprensión del mundo físico y cómo podemos beneficiarnos de ella».

Vasil Saroka, de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, agregó: «Esperamos que nuestro trabajo teórico sobre la simetría de paridad temporal pueda inspirar más investigaciones experimentales en esta apasionante área de la física».

«Puntos excepcionales en cadenas de oligómeros» se publica en Física de las comunicaciones.


Los físicos revelan un flujo no recíproco alrededor del mundo cuántico


Más información:
Charles Andrew Downing et al, Puntos excepcionales en cadenas de oligómeros, Física de las comunicaciones (2021). DOI: 10.1038 / s42005-021-00757-3

Proporcionado por la Universidad de Exeter

Cita: Physicists Exploit Space and Time Symmetry to Control Quantum Materials (2021, 3 de diciembre) recuperado el 3 de diciembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-12-physicists-exploit-space-symmetries-quantum. Html

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