تكنولوجيا لنقل الطاقة الشمسية من الفضاء إلى الأرض

[إعلان 1]

ورغم التحديات العديدة، فإن تكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية في الفضاء ونقلها إلى الأرض عبر أشعة الميكروويف قد تساعد البشر على التخلص من الاعتماد على الوقود الأحفوري.

محاكاة نظام توليد الطاقة الشمسية الفضائي SPS-ALPHA. الصورة: ناسا — محاكاة نظام توليد الطاقة الشمسية الفضائي SPS-ALPHA. الصورة: *ناسا*

وفقًا لموقع ساينس أليرت ، فإن فكرة الطاقة الشمسية الفضائية (SBSP)، التي تستخدم الأقمار الصناعية لجمع الطاقة من الشمس وإرسالها إلى نقاط استقبال على الأرض، موجودة منذ أواخر ستينيات القرن الماضي على الأقل. على الرغم من إمكاناتها الهائلة، لم تحظَ الفكرة باهتمام كبير نظرًا لتكلفتها والعقبات التكنولوجية. إذا أمكن حل هذه المشكلة، فقد تُصبح SBSP جزءًا مهمًا من مساعدة العالم على الانتقال من الوقود الأحفوري إلى الطاقة الخضراء.

لطالما استغل البشر طاقة الشمس، من خلال تقنيات متنوعة مثل الطاقة الكهروضوئية (PV) والطاقة الشمسية الحرارية (STE). كما تُحصد الطاقة الشمسية بشكل غير مباشر، مثل طاقة الرياح، التي تُولّدها الشمس نتيجةً للتسخين غير المتساوي للغلاف الجوي. إلا أن هذه الأشكال من إنتاج الطاقة الخضراء محدودة، إذ تشغل مساحات شاسعة من الأرض، وتتأثر بتوفر ضوء الشمس والرياح. على سبيل المثال، لا تستطيع مزارع الطاقة الشمسية تجميع الطاقة ليلاً، وتجمع كميات أقل في الشتاء أو الأيام الغائمة.

لا تقتصر الطاقة الشمسية الكهروضوئية المدارية على الليل. فالقمر الصناعي في مداره الجغرافي الثابت (GEO)، وهو مدار دائري على ارتفاع 36,000 كيلومتر فوق الأرض، يتعرض للشمس أكثر من 99% من العام. هذا يسمح له بإنتاج طاقة خضراء على مدار الساعة. يُعدّ المدار الجغرافي الثابت مثاليًا لنقل الطاقة من مركبة فضائية إلى جهاز استقبال، أو محطة أرضية، لأن القمر الصناعي يبقى في مكانه بالنسبة للأرض. يقول الباحثون إن الطاقة الشمسية المتاحة من المدار الجغرافي الثابت (GEO) تفوق الطلب العالمي المقدر للبشرية على الكهرباء بمئة مرة بحلول عام 2050.

يتطلب إرسال الطاقة المُجمّعة في الفضاء إلى الأرض نقلًا لاسلكيًا. يُقلّل استخدام الموجات الدقيقة لنقل الطاقة من خسائر الغلاف الجوي، حتى في حالة الغيوم. يُركّز شعاع الموجات الدقيقة الذي يُرسله القمر الصناعي على محطة أرضية، حيث يُحوّل هوائي الموجات الكهرومغناطيسية إلى كهرباء. يجب أن يكون قطر المحطة الأرضية 5 كيلومترات أو أكثر عند خطوط العرض العليا. ومع ذلك، لا تزال هذه المساحة أقل من المساحة اللازمة لإنتاج نفس الكمية من الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

اقترح الباحثون العديد من تصاميم SBSP منذ أن اقترح بيتر جلاسر الفكرة لأول مرة عام ١٩٦٨. في SBSP، تُحوّل الطاقة عدة مرات (ضوء - كهرباء - موجات دقيقة - كهرباء)، ويُفقد جزء منها على شكل حرارة. ولإضافة ٢ جيجاواط إلى الشبكة، يحتاج القمر الصناعي إلى جمع حوالي ١٠ جيجاواط.

يتضمن تصميم حديث يُسمى CASSIOPeiA عاكسين قابلين للضبط بعرض كيلومترين. يعكسان ضوء الشمس على سلسلة من الخلايا الشمسية. يمكن بعد ذلك توجيه نظام مولد قطره 1700 متر نحو محطة أرضية. يُقدر وزن القمر الصناعي بـ 2000 طن.

التصميم الآخر، المسمى SPS-ALPHA، يختلف عن CASSIOPeiA في أن المجمع الشمسي عبارة عن هيكل كبير يتكون من العديد من العاكسات المعيارية الصغيرة، المعروفة باسم هيليوستات، والتي يمكن لكل منها التحرك بشكل مستقل. ويتم إنتاجها بكميات كبيرة لخفض التكاليف.

في عام ٢٠٢٣، أطلق علماء معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تجربة MAPLE، وهي تجربة قمر صناعي صغير الحجم ينقل كميات صغيرة من الكهرباء إلى المعهد. وقد أثبتت MAPLE إمكانية استخدام هذه التقنية لنقل الكهرباء إلى الأرض.

وتقوم وكالة الفضاء الأوروبية حاليًا بتقييم جدوى مشروع SBSP من خلال مبادرة SOLARIS، مع خطط لتطوير التكنولوجيا بالكامل بحلول عام 2025. كما أعلنت دول أخرى مؤخرًا عن خطط لنقل الكهرباء إلى الأرض بحلول عام 2025، والانتقال إلى أنظمة أكبر في غضون عقدين من الزمن.

تتمثل العيوب الرئيسية لبرنامج SBSP في الكتلة الهائلة اللازمة للإطلاق إلى الفضاء والتكلفة لكل كيلوغرام. تعمل شركات مثل سبيس إكس وبلو أوريجين على تطوير مركبات إطلاق ثقيلة تُركز على إعادة استخدام العديد من مكونات المركبة بعد الإطلاق. يمكن أن يُخفض هذا تكاليف الإطلاق بنسبة 90%. حتى مع مركبة ستارشيب من سبيس إكس، التي يمكنها إطلاق 150 طنًا من البضائع إلى مدار أرضي منخفض، ستظل أقمار SBSP الصناعية تتطلب مئات عمليات الإطلاق. صُممت بعض المكونات لتكون قابلة للتوسع ويمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد في الفضاء.

ستكون مهمة SBSP صعبة وتتطلب تقييمًا شاملاً للمخاطر. ورغم أن الكهرباء المُنتجة ستكون صديقة للبيئة بالكامل، إلا أنه من الصعب التنبؤ بتأثير التلوث الناتج عن مئات عمليات الإطلاق. إضافةً إلى ذلك، يتطلب التحكم في هيكل ضخم كهذا في الفضاء كميات كبيرة من الوقود، مما يُجبر المهندسين على العمل بمواد كيميائية سامة. ستتعرض الخلايا الشمسية للتدهور، مع انخفاض كفاءتها بمرور الوقت بنسبة تتراوح بين 1% و10% سنويًا. ومع ذلك، يُمكن للصيانة وإعادة التزود بالوقود أن يُطيلا عمر القمر الصناعي. فشعاع الموجات الدقيقة، الذي يصل إلى الأرض بقوة كافية، قد يُلحق الضرر بأي شيء في مساره. ولأسباب تتعلق بالسلامة، يجب الحد من كثافة طاقة شعاع الموجات الدقيقة.

آن كانج (وفقًا لـ Science Alert )

[إعلان 2]
رابط المصدر