การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวสำคัญของมนุษยชาติ

การวัดอารยธรรมในจักรวาล

ใน จักรวาลวิทยา มาตราส่วนคาร์ดาเชฟเป็นวิธีการวัดระดับการพัฒนาของอารยธรรม แม้จะเป็นเพียงทฤษฎี แต่มาตราส่วนคาร์ดาเชฟก็อธิบายถึงทิศทางของอารยธรรมที่เชื่อมโยงกับการใช้พลังงาน

ดังนั้น อารยธรรมจักรวาลขั้นพื้นฐานจึงแบ่งออกเป็น 3 ระดับ ระดับที่ 1 คืออารยธรรมที่สามารถใช้ประโยชน์และใช้ทรัพยากรพลังงานบนดาวเคราะห์ได้ ระดับที่ 2 คืออารยธรรมที่สามารถใช้ประโยชน์และใช้ทรัพยากรพลังงานในดาวฤกษ์ (เช่น ดวงอาทิตย์ของเรา) หรือวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะ

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 1 — การจำลองสถานะของอารยธรรม 3 ประเภทที่กำหนดโดยมาตรา Kardashev ภาพ: Wiki

อารยธรรมระดับ III นั้นมีความก้าวหน้ากว่ามาก โดยอารยธรรมนั้นมีความสามารถในการควบคุมและใช้พลังงานจากกาแล็กซีทั้งหมดได้ เหมือนในภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสงครามระหว่างกาแล็กซีหรือสงครามระหว่างกาแล็กซี

ดังนั้น หากเราเปรียบเทียบสามระดับที่กล่าวมาข้างต้น อารยธรรมมนุษย์อยู่ในระดับที่ 1 ซึ่งได้ใช้ประโยชน์จากพลังงานที่มีอยู่ภายในหรือบนพื้นผิวโลกเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าใหม่ๆ ในอวกาศและวิทยาศาสตร์อวกาศแสดงให้เห็นว่าเรากำลังเริ่มก้าวไปสู่อารยธรรมอวกาศระดับที่ 2 ซึ่งเรามีแผนที่จะใช้ประโยชน์จากพลังงานหรือทรัพยากรอื่นๆ จากวัตถุในอวกาศ

และในปีนี้ ทีมงานของศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า Ali Hajimir จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา) ได้ก้าวไปอีกขั้นสู่แผนการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศและส่งกลับมายังโลก ซึ่งถือเป็นก้าวเล็กๆ ที่หากประสบความสำเร็จ ก็แสดงให้เห็นว่ามนุษยชาติสามารถเข้าสู่อารยธรรมอวกาศระดับ 2 ได้

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 2 — การจำลองดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ CASSIOPeiA ที่ออกแบบโดยอังกฤษ พลังงานแสงอาทิตย์ที่รวบรวมได้จากอวกาศจะถูกส่งตรงไปยังตำแหน่งที่เลือกไว้บนพื้นผิวโลก ภาพ: Space Solar

เราจะรับพลังงานจากอวกาศได้อย่างไร?

ฮาจิมีร์ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า ใช้เวลากว่าทศวรรษในการค้นคว้าวิธีการส่งเซลล์แสงอาทิตย์ขึ้นสู่อวกาศและส่งพลังงานกลับมายังโลก ในเดือนมกราคม ทีมของเขาได้ส่งเมเปิล ต้นแบบพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศความยาว 30 เซนติเมตร ซึ่งติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณที่มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบามาก เครื่องส่งสัญญาณนี้ออกแบบมาเพื่อรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งผ่านแบบไร้สายสู่อวกาศ กระแสไฟฟ้าที่ได้มีปริมาณเพียงพอที่จะให้พลังงานแก่หลอดไฟ LED สองดวง

แต่นักวิจัยมีเป้าหมายระยะยาว นั่นคือ เพื่อดูว่าเมเปิลจะสามารถส่งพลังงานนี้ลงสู่โลกได้หรือไม่ ในเดือนพฤษภาคม ทีมวิจัยจึงตัดสินใจทำการทดลองเพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น บนดาดฟ้าของวิทยาเขตคาลเทคในเมืองพาซาดีนา รัฐแคลิฟอร์เนีย ฮาจิมิริและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้รับสัญญาณของเมเปิล แม้ว่าปริมาณพลังงานที่ตรวจพบจะน้อยเกินไปจนไม่สามารถใช้งานได้ แต่พวกเขาก็ยังประสบความสำเร็จในการส่งพลังงานแบบไร้สายจากอวกาศ

อันที่จริง แนวคิดเรื่องการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2484 เมื่อไอแซค อาซิมอฟ นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ ได้บรรยายถึงแนวคิดนี้ไว้ในเรื่องสั้น หลายทศวรรษหลังจากนั้น ประเทศต่างๆ รวมถึงสหรัฐอเมริกา จีน และญี่ปุ่น ได้ ศึกษา แนวคิดนี้ แต่ส่วนใหญ่ก็ล้มเลิกไปในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

แก่นแท้ของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศหมายความว่ามนุษย์บนโลกสามารถควบคุมพลังงานมหาศาลของดวงอาทิตย์ในอวกาศได้ ซึ่งมีแสงสว่างอยู่ตลอดเวลา โดยไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพอากาศที่เลวร้าย เช่น เมฆปกคลุม เวลากลางคืน หรือฤดูกาล

มีแนวคิดมากมายสำหรับวิธีการนี้ แต่แนวคิดหลักๆ คือ ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1 ไมล์จะถูกปล่อยขึ้นสู่วงโคจรที่ระดับความสูงมาก เนื่องจากมีขนาดใหญ่มาก ดาวเทียมจึงประกอบด้วยโมดูลขนาดเล็กหลายแสนโมดูล หุ่นยนต์อัตโนมัติจะประกอบดาวเทียมในอวกาศเหมือนกับการ "ต่อตัวต่อเลโก้" มาร์ติน โซลเทา ซีอีโอของ Space Solar ในสหราชอาณาจักร อธิบาย

แผงโซลาร์เซลล์ของดาวเทียมจะรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ แปลงเป็นคลื่นไมโครเวฟ และส่งพลังงานเหล่านี้แบบไร้สายมายังโลกผ่านเครื่องส่งสัญญาณขนาดใหญ่มากที่สามารถส่งผ่านจุดเฉพาะบนพื้นดินได้อย่างแม่นยำ โซลเทากล่าวว่าคลื่นไมโครเวฟสามารถทะลุผ่านเมฆและสภาพอากาศเลวร้ายได้อย่างง่ายดาย และไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณที่ทำจากตาข่ายบนโลก ซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้า

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 3 — ไมโครเวฟสามารถทะลุผ่านเมฆและสภาพอากาศเลวร้ายได้อย่างง่ายดาย ไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณบนโลก จากนั้นไมโครเวฟจะถูกแปลงกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าและป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้า ภาพ: ESA

เสาอากาศรับสัญญาณมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 กิโลเมตร สามารถติดตั้งได้ทั้งบนบกและนอกชายฝั่ง เนื่องจากโครงสร้างกริดเหล่านี้เกือบจะโปร่งใส จึงสามารถใช้พื้นที่ใต้เสาอากาศสำหรับติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ ฟาร์ม หรือกิจกรรมอื่นๆ ได้

ศักยภาพมหาศาลและความท้าทายอันยิ่งใหญ่

ตามการประมาณการของนักวิทยาศาสตร์ ดาวเทียมรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 2 กิกะวัตต์ ซึ่งเกือบเท่ากับกำลังการผลิตของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเฉลี่ย 2 แห่งในสหรัฐอเมริกา

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้กำลังเผชิญกับอุปสรรคสำคัญ นั่นคือ ต้นทุนการติดตั้งโรงไฟฟ้าในวงโคจรนั้นสูงมาก อันเดอร์วูด ศาสตราจารย์ชาวอังกฤษ ให้สัมภาษณ์กับ CNN ว่าเทคโนโลยีพลังงานอวกาศนั้น "ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์" แต่อุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดคือต้นทุนมหาศาลในการส่งโรงไฟฟ้าขึ้นสู่วงโคจร

อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ดังกล่าวเริ่มเปลี่ยนแปลงไปในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เมื่อบริษัทอวกาศอย่าง SpaceX และ Blue Origin ได้เริ่มพัฒนาจรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ต้นทุนการปล่อยจรวดในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 1,500 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ซึ่งต่ำกว่าในยุคกระสวยอวกาศช่วงต้นทศวรรษ 1980 ประมาณ 30 เท่า

หากประสบความสำเร็จ แนวคิดการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอาจเป็นแหล่งพลังงานมหาศาลสำหรับประเทศพัฒนาแล้วที่มีความต้องการไฟฟ้าสูงแต่ขาดแคลนโครงสร้างพื้นฐาน นอกจากนี้ยังสามารถให้บริการแก่เมืองและหมู่บ้านห่างไกลในอาร์กติกที่มืดมิดเป็นเวลาหลายเดือนในแต่ละปี รวมถึงชุมชนที่ไฟฟ้าดับเนื่องจากภัยพิบัติทางธรรมชาติหรือความขัดแย้ง

แม้ว่ายังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างแนวคิดและการนำออกสู่เชิงพาณิชย์ แต่ประเทศและบริษัทต่างๆ ทั่วโลกหลายแห่งเชื่อว่าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศสามารถตอบสนองความต้องการไฟฟ้าสะอาดที่เพิ่มมากขึ้นได้ ขณะเดียวกันก็ช่วยรับมือกับวิกฤตสภาพอากาศที่เลวร้ายลงในปัจจุบันได้อีกด้วย

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 4 — การจำลองดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ภาพ: ESA

ในเดือนพฤษภาคม 2563 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ ได้เปิดตัวโมดูลบนยานทดสอบวงโคจร เพื่อทดสอบฮาร์ดแวร์ผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในสภาพอวกาศ นอกจากนี้ ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศสหรัฐฯ ยังมีแผนที่จะเปิดตัวยานทดสอบขนาดเล็กชื่อ Arachne ในปี 2568 สถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีน (China Academy of Space Technology) ยังมีแผนที่จะปล่อยดาวเทียมแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นสู่วงโคจรต่ำในปี 2571 และขึ้นสู่วงโคจรสูงในปี 2573

นอกจากนี้ สหภาพยุโรปกำลังพัฒนาโครงการโซลาริสเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ทางเทคนิคของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ขณะเดียวกัน สหราชอาณาจักรได้ทำการศึกษาอิสระและสรุปว่าการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีความเป็นไปได้ทางเทคนิค เช่น ดาวเทียม CASSIOPeiA (ความยาว 1.7 กิโลเมตร สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 2 กิกะวัตต์)

สำหรับทีมของฮาจิมิริในแคลิฟอร์เนีย เขาและเพื่อนร่วมงานได้ใช้เวลาครึ่งปีที่ผ่านมาในการทดสอบต้นแบบเพื่อรวบรวมข้อมูลสำหรับการออกแบบรุ่นต่อไป เป้าหมายสูงสุดของฮาจิมิริคือชุดใบเรือที่มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่น ซึ่งสามารถม้วนเก็บ ปล่อย และกางออกในอวกาศได้ โดยมีส่วนประกอบหลายพันล้านชิ้นทำงานประสานกันอย่างสมบูรณ์แบบเพื่อส่งพลังงานไปยังที่ที่ต้องการ

แหล่งที่มา