Environmentally robust graphene-based transparent antenna for Space-based Solar Power (SBSP) applications

The ever-growing demand for clean energy and an attempt to become a Type I civilization on the Kardashev scale necessitates exploring novel energy harvesting solutions. The thesis will discuss the concept of Space-based Solar Power (SBSP) and its utmost requirement in fulfilling the world's ever-increasing energy demand. Terrestrial Solar harvesting has certain technological, environmental and financial limitations, making total dependence on it unfeasible. SBSP offers a solution by collecting solar energy continuously from space and transmitting it wirelessly to Earth. The main goal of the dissertation is to develop an environmentally robust transparent antenna compatible with Virtus Solis' rectifying circuit to produce a highly efficient rectenna. The design consideration led to a graphene-based antenna with an air substrate operating at 10 GHz. The proposed antenna showed excellent robustness when numerically tested against environmental conditions such as sand and rain. Moreover, the transparency of the antenna unit allows for integration with the PV cell without deteriorating either of the devices' performances. This ability to integrate with existing infrastructure will tentatively lower the Levelized Cost of Energy (LCOE) of SBSP, comparable to even that of fossil fuels.

La domanda sempre crescente di energia pulita e il tentativo di diventare una civiltà di tipo I sulla scala di Kardashev richiedono l’esplorazione di nuove soluzioni di raccolta dell’energia. La tesi discuterà il concetto di energia solare spaziale (SBSP) e i suoi requisiti fondamentali per soddisfare la domanda energetica in continua crescita a livello mondiale. La raccolta solare terrestre presenta alcuni limiti tecnologici, ambientali e finanziari, che rendono irrealizzabile la dipendenza totale da essa. SBSP offre una soluzione raccogliendo continuamente l’energia solare dallo spazio e trasmettendola in modalità wireless alla Terra. L'obiettivo principale della tesi è sviluppare un'antenna trasparente robusta dal punto di vista ambientale compatibile con il circuito rettificatore di Virtus Solis per produrre una rectenna altamente efficiente. La considerazione progettuale ha portato a un'antenna basata su grafene con un substrato aereo operante a 10 GHz. L'antenna proposta ha mostrato un'eccellente robustezza quando testata numericamente rispetto a condizioni ambientali come sabbia e pioggia. Inoltre, la trasparenza dell'unità antenna consente l'integrazione con la cella fotovoltaica senza deteriorare le prestazioni di nessuno dei due dispositivi. Questa capacità di integrazione con le infrastrutture esistenti ridurrà provvisoriamente il costo livellato dell’energia (LCOE) dell’SBSP, paragonabile anche a quello dei combustibili fossili.