ถ่ายทอดพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของมวลมนุษยชาติ

การวัดอารยธรรมในจักรวาล

ใน จักรวาลวิทยา มาตราส่วนของคาร์ดาเชฟเป็นวิธีการวัดระดับการพัฒนาของอารยธรรม ถึงแม้ว่าจะเป็นเพียงทางทฤษฎี แต่มาตราส่วนของคาร์ดาเชฟก็อธิบายถึงทิศทางของอารยธรรมที่เชื่อมโยงกับการใช้พลังงาน

ดังนั้นอารยธรรมจักรวาลพื้นฐานจึงถูกแบ่งออกเป็น 3 ระดับ อารยธรรมระดับ 1 มีความสามารถในการใช้ประโยชน์ทรัพยากรพลังงานของดาวเคราะห์ได้ อารยธรรมระดับ 2 มีความสามารถในการใช้ประโยชน์แหล่งพลังงานในดวงดาว (เช่น ดวงอาทิตย์) หรือวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะ

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 1 — จำลองสถานะของอารยธรรมทั้งสามประเภทตามที่กำหนดโดยระดับของคาร์ดาเชฟ ภาพ: วิกิ

อารยธรรมระดับ III นั้นมีความก้าวหน้ากว่ามาก โดยอารยธรรมนั้นสามารถควบคุมและใช้พลังงานจากกาแล็กซีทั้งหมดได้ เหมือนในภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสงครามระหว่างกาแล็กซีหรือสงครามระหว่างกาแล็กซี

ดังนั้น หากเปรียบเทียบกับ 3 ระดับที่กล่าวข้างต้น อารยธรรมของมนุษย์ก็อยู่ในระดับ 1 ที่ได้ใช้ประโยชน์จากพลังงานที่มีอยู่ในพื้นผิวโลกเท่านั้น แต่ความก้าวหน้าใหม่ ๆ ในวิทยาศาสตร์อวกาศและจักรวาลวิทยาแสดงให้เห็นว่าเรากำลังเริ่มก้าวไปสู่อารยธรรมอวกาศระดับ 2 เมื่อเราวางแผนที่จะใช้ประโยชน์จากพลังงานหรือทรัพยากรอื่น ๆ จากวัตถุท้องฟ้าภายนอก

และในปีนี้ ทีมของศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า Ali Hajimir จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย (Caltech ในรัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา) ได้ก้าวไปอีกขั้นสู่แผนการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศและส่งกลับมายังโลก ซึ่งถือเป็นก้าวเล็กๆ ที่หากประสบความสำเร็จ ก็แสดงว่ามนุษยชาติสามารถก้าวเข้าสู่อารยธรรมอวกาศระดับ 2 ได้

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 2 — การจำลองดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ CASSIOPeiA ที่ออกแบบโดยอังกฤษ พลังงานแสงอาทิตย์ที่เก็บรวบรวมจากอวกาศจะถูกส่งไปยังตำแหน่งที่เลือกบนพื้นผิวโลก ภาพ: สเปซโซลาร์

จะได้รับพลังงานจากอวกาศได้อย่างไร?

ฮาจิมิร์ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า ใช้เวลาหนึ่งทศวรรษในการค้นคว้าวิธีการส่งเซลล์แสงอาทิตย์สู่อวกาศและส่งพลังงานกลับมายังโลก ในเดือนมกราคมของปีนี้ ทีมของเขาได้เปิดตัวเมเปิ้ล ต้นแบบยานอวกาศพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดยาว 30 เซนติเมตรที่ติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณที่น้ำหนักเบามากและยืดหยุ่นได้ วัตถุประสงค์ของเครื่องส่งสัญญาณนี้คือการรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งแบบไร้สายไปยังอวกาศ ผลลัพธ์คือปริมาณไฟฟ้าที่ทีมงานรวบรวมได้เพียงพอสำหรับเปิดไฟ LED หนึ่งคู่

อย่างไรก็ตาม เป้าหมายระยะยาวของนักวิจัยคือการดูว่าเมเปิ้ลสามารถส่งพลังงานนี้ลงสู่โลกได้หรือไม่ ในเดือนพฤษภาคม ทีมงานตัดสินใจทำการทดลองเพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น บนดาดฟ้าของวิทยาเขต Caltech ในเมืองพาซาดีนา รัฐแคลิฟอร์เนีย ฮาจิมิริและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้รับสัญญาณของเมเปิ้ล แม้ว่าปริมาณพลังงานที่ตรวจพบจะมีน้อยเกินไปจนไม่สามารถใช้ประโยชน์ได้ แต่ก็ยังสามารถส่งพลังงานแบบไร้สายจากอวกาศได้สำเร็จ

ความจริงแล้ว แนวคิดการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2484 เมื่อนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ ไอแซก อาซิมอฟ บรรยายเรื่องนี้ไว้ในเรื่องสั้น ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ประเทศต่างๆ รวมถึงสหรัฐอเมริกา จีน และญี่ปุ่น ได้ สำรวจ แนวคิดนี้ แต่ก็ยอมแพ้เป็นส่วนใหญ่หลังจากผ่านไปหลายปี

แก่นแท้ของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศหมายความว่ามนุษย์บนโลกสามารถควบคุมพลังงานมหาศาลของดวงอาทิตย์ในอวกาศที่มีแสงสว่างตลอดเวลาโดยไม่ถูกกระทบจากสภาพอากาศที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น เมฆปกคลุม เวลากลางคืน หรือฤดูกาล

มีแนวคิดต่างๆ มากมายในการดำเนินการนี้ แต่หลักการทำงานมีดังนี้ ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1.6 กม. จะถูกปล่อยขึ้นสู่วงโคจรที่ระดับความสูง เนื่องจากมีขนาดใหญ่มาก ดาวเทียมจึงประกอบด้วยโมดูลขนาดเล็กจำนวนหลายแสนโมดูล จากนั้นหุ่นยนต์อัตโนมัติจะทำหน้าที่ประกอบดาวเทียมในอวกาศเหมือนกับการ “วางอิฐเลโก้” มาร์ติน โซลเทา ซีอีโอของบริษัท Space Solar ซึ่งตั้งอยู่ในสหราชอาณาจักรอธิบาย

แผงโซลาร์เซลล์ของดาวเทียมจะรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ แปลงเป็นคลื่นไมโครเวฟ และส่งแบบไร้สายมายังโลกผ่านเครื่องส่งสัญญาณขนาดใหญ่มากที่สามารถเข้าถึงจุดเฉพาะต่างๆ บนพื้นดินได้อย่างแม่นยำ ไมโครเวฟสามารถผ่านเมฆและสภาพอากาศเลวร้ายได้อย่างง่ายดาย จนไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณที่ทำจากตาข่ายบนโลกได้ ตามที่นายโซลเทากล่าว ที่นี่ไมโครเวฟจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าและป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้า

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 3 — คลื่นไมโครเวฟสามารถผ่านเมฆและสภาพอากาศเลวร้ายได้อย่างง่ายดาย จนไปถึงเสาอากาศรับสัญญาณบนโลกได้ จากนั้นไมโครเวฟจะถูกแปลงกลับเป็นไฟฟ้าและป้อนเข้าสู่ระบบไฟฟ้า ภาพ: ESA

โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 กม. สามารถสร้างเสาอากาศรับสัญญาณได้บนบกหรือชายฝั่งทะเล เนื่องจากโครงสร้างกริดเหล่านี้แทบจะโปร่งใส พื้นที่ใต้โครงจึงสามารถใช้เป็นแผงโซลาร์เซลล์ ฟาร์ม หรือทำกิจกรรมอื่นๆ ได้

ศักยภาพมหาศาลและความท้าทายมหาศาล

ตามการประมาณการของนักวิทยาศาสตร์ ดาวเทียมที่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 2 กิกะวัตต์ เกือบเท่ากับความจุของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเฉลี่ยสองแห่งในสหรัฐอเมริกา

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ต้องเผชิญกับอุปสรรคสำคัญ นั่นคือต้นทุนในการติดตั้งโรงไฟฟ้าในวงโคจรมีราคาแพงมาก Underwood ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ชาวอังกฤษ บอกกับ CNN ว่าเทคโนโลยีพลังงานในอวกาศนั้น "ไม่ใช่เรื่องของนิยายวิทยาศาสตร์" อย่างไรก็ตาม อุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดคือต้นทุนมหาศาลในการส่งโรงไฟฟ้าขึ้นสู่วงโคจร

อย่างไรก็ตาม ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา สิ่งนั้นเริ่มเปลี่ยนไป เนื่องจากบริษัทการบินและอวกาศ เช่น SpaceX และ Blue Origin ได้เริ่มพัฒนาจรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ต้นทุนการปล่อยยานในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 1,500 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม ต่ำกว่าในยุคกระสวยอวกาศเมื่อต้นทศวรรษ 1980 ประมาณ 30 เท่า

หากการทดลองนี้ประสบความสำเร็จ แนวคิดการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอาจเป็นแหล่งพลังงานที่อุดมสมบูรณ์สำหรับประเทศพัฒนาแล้วที่มีความต้องการไฟฟ้าจำนวนมากแต่ขาดโครงสร้างพื้นฐาน นอกจากนี้ แหล่งพลังงานนี้ยังสามารถให้บริการแก่เมืองและหมู่บ้านห่างไกลในอาร์กติกหลายแห่งที่ต้องประสบปัญหาความมืดมิดเป็นเวลานานหลายเดือนในแต่ละปีได้ และยังช่วยเหลือชุมชนที่ประสบปัญหาไฟฟ้าดับเนื่องจากภัยธรรมชาติหรือความขัดแย้งอีกด้วย

แม้ว่ายังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างแนวคิดและการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ แต่ประเทศและบริษัทต่างๆ ทั่วโลกหลายแห่งเชื่อว่าพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศสามารถตอบสนองความต้องการไฟฟ้าสะอาดที่เพิ่มมากขึ้นได้ ขณะเดียวกันก็ช่วยรับมือกับวิกฤตสภาพอากาศที่เลวร้ายลงในปัจจุบันได้อีกด้วย

การส่งพลังงานจากอวกาศสู่โลก ก้าวใหม่ของอารยธรรมมนุษย์ ภาพที่ 4 — การจำลองดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ภาพ: ESA

ในเดือนพฤษภาคม 2020 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ ยังได้เปิดตัวโมดูลบนยานทดสอบในวงโคจรเพื่อทดสอบฮาร์ดแวร์การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในสภาพอวกาศอีกด้วย นอกจากนี้ ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศสหรัฐฯ ยังมีแผนที่จะเปิดตัวยานทดลองขนาดเล็กที่เรียกว่า Arachne ในปี 2025 สถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีนยังมีแผนที่จะเปิดตัวดาวเทียมแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์สู่วงโคจรต่ำในปี 2028 และสู่วงโคจรสูงในปี 2030

นอกจากนี้สหภาพยุโรปยังกำลังพัฒนาโปรแกรม Solaris เพื่อพิจารณาความเป็นไปได้ทางเทคนิคของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอีกด้วย ในขณะเดียวกัน สหราชอาณาจักรได้ดำเนินการศึกษาวิจัยอิสระและสรุปได้ว่าการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีความเป็นไปได้ในทางเทคนิค โดยมีการออกแบบ เช่น ดาวเทียม CASSIOPeiA (ความยาว 1.7 กม. สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 2 กิกะวัตต์)

สำหรับทีมงานของ Hajimiri ในแคลิฟอร์เนีย เขากับเพื่อนร่วมงานใช้เวลาครึ่งปีที่ผ่านมาในการทดสอบต้นแบบเพื่อรวบรวมข้อมูลสำหรับการออกแบบรุ่นต่อไป เป้าหมายสูงสุดของฮาจิมิริคือการสร้างใบเรือที่เบาและยืดหยุ่นได้ซึ่งสามารถม้วนเก็บ ปล่อย และกางออกในอวกาศได้ โดยมีชิ้นส่วนนับพันล้านชิ้นทำงานประสานกันอย่างสมบูรณ์แบบเพื่อส่งพลังงานไปยังที่ที่ต้องการ

แหล่งที่มา