Introdução

 

Quanto mais os países se desenvolvem, maior a demanda de energia em seu território, devida tanto à industrialização quanto à necessidade de sua população, por conta da utilização maior de equipamentos elétricos. Simultaneamente, ocorrem problemas como poluição, escassez de água em muitas regiões e as iminentes mudanças climáticas, existe a necessidade de que se busquem novas fontes de energia e que estas agridam o mínimo possível o meio ambiente.

Hoje, a proposta tida como a mais promissora é a utilização da fusão nuclear, porém ainda não foi possível construir um reator que gere mais energia do que gasta. Sendo assim, existe outra proposta promissora, porém menos conhecida. Trata-se da captação de energia solar no espaço.

 

Metodologia

Este artigo trata-se de uma descrição dos mecanismos e fundamentos teóricos utilizados na coleta de energia no espaço feito por meio de pesquisa bibliográfica em livros e artigos.

 

Energia Solar Espacial

 

Segundo Cometta (2004), no espaço, a radiação solar é definida pela chamada constante solar, e tem o valor de 1400 W/m², a potência que atinge o solo é naturalmente menor, por causa da absorção operada pela atmosfera, que varia com a altura do Sol no horizonte, e com as condições atmosféricas, bem como com a latitude sobre o nível do mar do local da medida.

Em comparação, segundo Freitas (2008), a radiação solar é reduzida ao longo da atmosfera por fenômenos de reflexão, absorção e dispersão. Apenas uma parte da quantidade total da radiação solar atinge a superfície terrestre, pois a atmosfera reduz a radiação solar através da reflexão, absorção (ozônio, vapor de água, oxigênio, dióxido de carbono) e dispersão (partículas de pó, poluição). O nível de radiação na superfície da Terra atinge um total aproximado de 1000 W/m2 ao meio-dia, em boas condições climáticas no plano horizontal, independentemente da localização.

Sendo assim, temos que, ao longo de um dia favorável na superfície terrestre há um total de 2 Kwh/m² disponível, ao passo que no espaço há 33,6 Kwh/m². Ainda há o fato em consideração de que na distância referente à órbita geoestacionária, a iluminação solar ocorre 24 horas diárias, o que não acontece na superfície terrestre.

 

Coleta de Energia

 

O sistema de coleta consiste de um satélite geoestacionário. Segundo Nascimento (2000), satélites geoestacionários caracterizam-se por manterem uma posição fixa acima da Linha do Equador. Para tal, o período orbital do satélite deve coincidir com o período de rotação da Terra, 23 h 57 min. Esse objetivo é atingido colocando-se o satélite em uma órbita circular a 36000 km de altitude sobre a Linha do Equador. Ou seja, isso permite a construção de um único local de recepção, para onde o satélite sempre apontará.

Para a coleta de energia devem ser utilizadas células fotoelétricas. Célula fotoelétrica é um componente que, seguindo o princípio do diodo, possui a capacidade de gerar e eletricidade quando atingido por ondas eletromagnéticas.

 

Transmissão  de Energia

 

A transmissão deve ser feita por meio de ondas eletromagnéticas. A faixa que possui menor interação com a atmosfera é a microondas, que também é utilizada para comunicação e em radares.

As microondas são ondas eletromagnéticas cujo comprimento, segundo Tipler (et al, 2009), varia entre 1 m (0,3 GHz de frequência) até 1,0 mm (300 GHz de frequência).

Uma forma eficiente de se obter microondas é com a utilização de válvulas magnetron. De um modo geral, as magnetrons, dependendo da aplicação a que se destinam, apresentam eficiências de até 80%, Pereira (et al. 2002).

Segundo Lima (et al. 2006), o termo magnetron foi empregado para designar válvulas geradoras de microondas, cujo funcionamento baseia-se no aprisionamento de elétrons por campos elétricos e magnéticos ortogonais entre si.

O magnetron é constituído por um ânodo cilíndrico, composto de cavidades, estas se encontram no eixo de um cátodo de aquecimento. O ânodo e o cátodo são separados por um espaço ao qual se dá o nome de espaço de interação, estando em vácuo. Estas cavidades, ditas "cavidades ressonantes", podem ter formas diferentes de acordo com o magnetron considerado. Encontram-se também dois ímãs que são fixados perpendicularmente em relação ao eixo do tubo.

Um campo elétrico contínuo é aplicado entre o ânodo e o cátodo.  Os elétrons liberados pelo cátodo são acelerados pelo campo magnético contínuo. Devido ao campo magnético criado pelos dois imãs perpendiculares ao eixo ânodo/cátodo, obtém-se um movimento circular em torno do cátodo, com trajetórias semelhantes a ciclóides.

O campo magnético criado, com a nuvem eletrônica, serve para acelerar as ondas. Estas cargas que fluem entre o ânodo e o cátodo vão entrar em interação com as cavidades ressonantes do bloco anódico que se torna o apoio das oscilações eletromagnéticas.

Segundo Pereira (2002, et al) um ponto importante no projeto é a definição do número de magnetrons a serem usadas no processamento. Pode-se usar uma válvula de alta potência ou mesmo várias de menor potência. Uma válvula de alta potência é normalmente mais eficiente que um conjunto menos potente. Contudo, a última é mais barata, mais fácil de adquirir no mercado, necessita de menos acessórios para sua operação, além de que em uma eventual falha da válvula, o processo como um todo não será paralisado, pois as outras estarão operando. Essas válvulas, entretanto, além do inconveniente da geração de harmônicos, danosos a outros equipamentos eletrônicos que estejam nas proximidades, são também bastante suscetíveis à interferência mútua.

Os magnetrons podem ser ligados a antenas do tipo corneta que oferecem uma boa diretividade e foco.

 

Recepção de Energia

 

A melhor forma de recepção é utilizando-se antenas retificadoras, também conhecidas como rectena. Segundo Vera (2009), a palavra rectena foi inventada por W.C. Brown, em 1960. A antena retificadora pode receber e retificar uma potência de microondas para a corrente contínua, operado sem qualquer fonte de energia. Segundo Heikkinen (et al, 2004), a antena retificadora é um receptor que converte energia de RF(radio frequencia) recebida em energia CC. A vantagem da polarização circular da antena retificadora (CP) sobre uma polarização linear é que uma saída quase constante da CC pode ser conseguido mesmo se houver mudanças do ângulo da antena retificadora, em relação ao transmissor.

Segundo Fitzsimmons (et al, 1982), a rectena é na verdade formada por um conjunto de pequenas antenas interligadas entre si, sendo a distância entre uma e outra igual ao comprimento de onda com o qual estará trabalhando.

De acordo com Vera (2009), a antena de uma rectena pode ser qualquer tipo, tais como dipolo, antena Yagi-Uda, monopolo, antena em espiral, ou até antena parabólica. A rectena também pode usar qualquer tipo de circuito de retificação, tal como retificador de onda completa de derivação simples, retificador de onda completa em ponte, ou outros retificadores híbridos. O circuito, principalmente o diodo, determina a eficiência RF-DC de conversão, rectenas com FET (transistor de efeito de campo) ou HEMT (Transístor de Alta Mobilidade Eletrônica) apareceram nos últimos anos. O recorde mundial da eficiência de conversão RF-DC é de cerca de 90% de 8W na frequencia de 2,45 gigahertz. A eficiência de conversão da rectena com diodo depende tanto da intensidade de entrada das microondas como da carga ótima conectada.

Segundo Fitzsimmons (et al, 1982), a antena retificadora, quando estiver ocorrendo transmissão de alta potência, deve ser construída com uma área da casa de dezenas de Km², isso por conta do eventual problema de aquecimento da ionosfera. A área englobada deve ser pelo menos a energia total enviada, dividida pela densidade média de energia que atinge a região.

Por conta do tamanho, é possível montar a rectena com pequenas antenas envolvidas em uma camada de polímero transparente para proteção, construindo canaletas entre as placas e então usar o terreno sob antena como plantação.

 

Riscos e Impactos Ambientais

 

Segundo o Ministério do Trabalho e Emprego, é considerado perigoso exposição a 10 mW/cm² de radiações não ionizantes no período de 8 horas. Por conta desses problemas é necessário garantir que o feixe de microondas lançado pelo satélite permaneça sempre sobre a antena retificadora, o que exigirá que, no momento da montagem do equipamento, a direção da antena de transmissão do satélite seja ajustada com um alto grau de precisão e que mesmo assim a região próxima à rectena seja constantemente monitorada.

Com exceção do risco provocado por um eventual ajuste impreciso na direção da antena transmissora de microondas, o maior impacto ambiental seria provocado pela área utilizada na construção da rectena, visto que esta terá um diâmetro na casa dos quilômetros. Para contornar isso, uma solução proposta seria a construção da rectena em material com um alto nível de transparência e com canaletas que escoem a água da chuva para o chão, possibilitando assim a utilização do espaço sob esta para plantação.

Conclusão

 

            A energia solar espacial é uma forma de geração que atende bem aos requisitos dos dias atuais, pois não há emissão de gases poluentes, é possível gerar em grande quantidade e o impacto ambiental é baixo. E, inclusive já existem projetos em andamento.

Sua desvantagem se encontra na questão do custo de instalação, devido às células fotoelétricas e à instalação no espaço. No caso das fotocélulas, já existem diversos estudos em andamento buscando a redução de custo e aumento da eficiência. Já na questão da instalação no espaço, já existem projetos em fase de testes de novas arquiteturas em propulsão.

Sendo assim, provavelmente, nas próximas décadas esta se tornará uma tecnologia que terá grande participação na matriz energética mundial.

 

Referências

 

Cometta, E. Energia solar: Utilização e empregos práticos. Hemus, 2004.

Fitzsimmons, G.W.; Lund, W.W.; Nalos, E.J. Combined antenna-rectifier arrays for power distribution systems. Seattle, 1982.

Heikkinen, J.; Kivikoski, M. Low-Profile Circularly Polarized Rectifying Antenna for Wireless Power Transmission at 5.8 GHz. IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 14, NO. 4, APRIL 2004.

Lima, E.C.; Guarany, C.A.; Araújo, E.B. Construção de um sistema de pulverização catódica DC de baixo custo para deposição de filmes metálicos. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, v. 25, n. 4, 203-208, 2006.

Ministério do Trabalho e Emprego. NR 15 - Atividades e operações insalubres. Brasília.

Nascimento, J. Telecomunicações. 2.ed. São Paulo: Makron Books, 2000.

Pereira, E. J. S.; Pinho, J. T. Forno Industrial de Microondas de 3 kW Alimentado por Magnetrons de Uso Doméstico. Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas, Belém, 2002.

Tipler, P.A.; Mosca, G. Física para cientistas e engenheiros: Volume 2. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

Vera, G. A. Efficient Rectenna Design for Ambient Microwave Energy Recycling. Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, 2009.