เทคโนโลยีการส่งพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศสู่โลก

แม้จะมีความท้าทายมากมาย แต่เทคโนโลยีการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศและส่งกลับมายังโลกโดยใช้ลำแสงไมโครเวฟอาจช่วยให้มนุษย์หลีกเลี่ยงการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลได้

การจำลองระบบผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ SPS-ALPHA ภาพ: NASA — การจำลองระบบผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ SPS-ALPHA ภาพ: *NASA*

แนวคิดพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ (SBSP) ซึ่งใช้ดาวเทียมรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งกลับมายังจุดรับพลังงานบนโลก มีมาตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1960 เป็นอย่างน้อย ตามข้อมูลของ Science Alert แม้จะมีศักยภาพมหาศาล แต่แนวคิดนี้ยังไม่ได้รับความนิยมมากนักเนื่องจากต้นทุนและอุปสรรคทางเทคโนโลยี หากปัญหาได้รับการแก้ไข SBSP อาจกลายเป็นส่วนสำคัญในการช่วยให้ โลก เปลี่ยนผ่านจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปสู่พลังงานสีเขียว

มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์จากพลังงานจากดวงอาทิตย์มาอย่างยาวนาน ผ่านเทคโนโลยีที่หลากหลาย เช่น โฟโตโวลตาอิกส์ (PV) และพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (STE) พลังงานแสงอาทิตย์ยังสามารถเก็บเกี่ยวได้ทางอ้อม เช่น พลังงานลม ซึ่งเกิดจากความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของชั้นบรรยากาศจากดวงอาทิตย์ แต่การผลิตพลังงานสีเขียวในรูปแบบเหล่านี้ก็มีข้อจำกัด เนื่องจากกินพื้นที่ขนาดใหญ่และถูกจำกัดด้วยแสงอาทิตย์และลมที่มีอยู่ ตัวอย่างเช่น ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ไม่สามารถเก็บพลังงานได้ในเวลากลางคืน และเก็บพลังงานได้น้อยลงในช่วงฤดูหนาวหรือในวันที่มีเมฆมาก

เซลล์แสงอาทิตย์แบบวงโคจรในวงโคจรนิ่ง (GEO) ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในเวลากลางคืน ดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรค้างฟ้า (GEO) ซึ่งเป็นวงโคจรวงกลมที่ระดับความสูง 36,000 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก จะสัมผัสกับดวงอาทิตย์มากกว่า 99% ของปี ทำให้สามารถผลิตพลังงานสะอาดได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน GEO เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งพลังงานจากยานอวกาศไปยังเครื่องรับหรือสถานีภาคพื้นดิน เนื่องจากดาวเทียมยังคงอยู่ในตำแหน่งเดิมเมื่อเทียบกับโลก นักวิจัยกล่าวว่าพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้จาก GEO นั้นสูงกว่าความต้องการใช้ไฟฟ้าทั่วโลกที่มนุษยชาติคาดการณ์ไว้ถึง 100 เท่าภายในปี พ.ศ. 2593

การส่งพลังงานที่รวบรวมได้จากอวกาศสู่พื้นดินจำเป็นต้องอาศัยการส่งสัญญาณแบบไร้สาย การใช้ไมโครเวฟเพื่อส่งพลังงานช่วยลดการสูญเสียพลังงานในชั้นบรรยากาศ แม้ในขณะที่ท้องฟ้ามีเมฆมาก ลำแสงไมโครเวฟที่ส่งจากดาวเทียมจะพุ่งเป้าไปที่สถานีภาคพื้นดิน ซึ่งเสาอากาศจะแปลงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานไฟฟ้า สถานีภาคพื้นดินจะต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 กิโลเมตรขึ้นไปที่ละติจูดสูง อย่างไรก็ตาม พื้นที่ดังกล่าวยังน้อยกว่าพื้นที่ที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้าในปริมาณเท่ากันด้วยพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลม

นักวิจัยได้เสนอรูปแบบ SBSP มากมายนับตั้งแต่ Peter Glaser เสนอแนวคิดนี้เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2511 ใน SBSP พลังงานจะถูกแปลงหลายครั้ง (แสง - ไฟฟ้า - ไมโครเวฟ - ไฟฟ้า) และบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน การส่งพลังงาน 2 กิกะวัตต์ (GW) เข้าระบบโครงข่ายไฟฟ้า ดาวเทียมจะต้องรวบรวมพลังงานได้ประมาณ 10 GW

การออกแบบล่าสุดที่เรียกว่า CASSIOPeiA ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสงแบบปรับได้สองชุด กว้าง 2 กิโลเมตร พวกมันสะท้อนแสงอาทิตย์ลงบนชุดเซลล์แสงอาทิตย์ จากนั้นระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1,700 เมตร จะสามารถเล็งไปที่สถานีภาคพื้นดินได้ ดาวเทียมนี้คาดว่าจะมีน้ำหนัก 2,000 ตัน

อีกแบบหนึ่งที่เรียกว่า SPS-ALPHA แตกต่างจาก CASSIOPeiA ตรงที่ตัวรับแสงอาทิตย์เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยตัวสะท้อนแสงแบบโมดูลาร์ขนาดเล็กจำนวนมากที่เรียกว่าเฮลิโอสแตต ซึ่งแต่ละตัวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ตัวสะท้อนแสงเหล่านี้ผลิตจำนวนมากเพื่อลดต้นทุน

ในปี พ.ศ. 2566 นักวิทยาศาสตร์ จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) ได้ส่ง MAPLE ซึ่งเป็นโครงการทดลองดาวเทียมขนาดเล็กที่ส่งกระแสไฟฟ้าปริมาณเล็กน้อยกลับมายังสถาบัน MAPLE ได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้ส่งกระแสไฟฟ้ากลับมายังโลกได้

ขณะนี้สำนักงานอวกาศยุโรปกำลังประเมินความเป็นไปได้ของ SBSP ด้วยโครงการริเริ่ม SOLARIS โดยมีแผนที่จะพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าวให้เต็มรูปแบบภายในปี 2568 ประเทศอื่นๆ เพิ่งประกาศแผนที่จะส่งกระแสไฟฟ้ามายังโลกภายในปี 2568 และจะย้ายไปยังระบบที่ใหญ่กว่าภายในสองทศวรรษ

ข้อเสียหลักของ SBSP คือน้ำหนักมหาศาลที่ต้องใช้ในการปล่อยสู่อวกาศและต้นทุนต่อกิโลกรัม บริษัทต่างๆ เช่น SpaceX และ Blue Origin กำลังพัฒนายานขนส่งขนาดใหญ่ที่เน้นการนำส่วนประกอบต่างๆ ของยานกลับมาใช้ใหม่หลังจากการบิน ซึ่งอาจช่วยลดต้นทุนการปล่อยลงได้ถึง 90% แม้แต่ยาน Starship ของ SpaceX ซึ่งสามารถส่งสินค้าน้ำหนัก 150 ตันขึ้นสู่วงโคจรต่ำของโลก ดาวเทียม SBSP ก็ยังต้องปล่อยดาวเทียมหลายร้อยครั้ง ส่วนประกอบบางอย่างได้รับการออกแบบให้ปรับขนาดได้และสามารถพิมพ์ 3 มิติในอวกาศได้

ภารกิจ SBSP จะเป็นภารกิจที่ท้าทายและจำเป็นต้องมีการประเมินความเสี่ยงอย่างเต็มรูปแบบ แม้ว่าไฟฟ้าที่ผลิตได้จะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมทั้งหมด แต่ผลกระทบจากการปล่อยจรวดหลายร้อยครั้งนั้นยากที่จะคาดการณ์ได้ นอกจากนี้ การควบคุมโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นนี้ในอวกาศยังต้องใช้เชื้อเพลิงจำนวนมาก ซึ่งบังคับให้วิศวกรต้องทำงานกับสารเคมีที่เป็นพิษ เซลล์แสงอาทิตย์จะเสื่อมสภาพลง โดยประสิทธิภาพจะลดลง 1 ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ต่อปีเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม การบำรุงรักษาและการเติมเชื้อเพลิงสามารถยืดอายุการใช้งานของดาวเทียมได้ ลำแสงไมโครเวฟที่มีพลังมากพอที่จะตกถึงพื้นโลกสามารถสร้างความเสียหายให้กับทุกสิ่งที่ขวางทางได้ ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย ความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงไมโครเวฟจึงต้องถูกจำกัด

อันคัง (ตาม การแจ้งเตือนทางวิทยาศาสตร์ )

ลิงค์ที่มา