الفضاء والكون

الطاقة الشمسية الفضائية هي مصدر محتمل للطاقة البديلة


هذه المقالة جزء من قسمنا الخاص حول حدث “المناخ إلى الأمام” الذي سيضم قادة السياسة والمناخ من جميع أنحاء العالم.


يعتقد علي هاجيميري أن هناك طريقة أفضل لتزويد الكوكب بالطاقة، وهي طريقة لا تحظى بالاهتمام الذي تستحقه. يتصور أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أن آلاف الألواح الشمسية تطفو في الفضاء، دون أن تعيقها السحب ولا تعيقها دورات الليل والنهار، وتنقل لاسلكيًا كميات هائلة من الطاقة إلى أجهزة الاستقبال على الأرض.

هذا العام، اقتربت هذه الرؤية من الواقع عندما أثبت السيد هاجيميري، مع فريق من الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، أن نقل الطاقة لاسلكيًا في الفضاء كان ممكنًا: فقد نجحت الألواح الشمسية التي تم ربطها بنموذج أولي لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في الفضاء في تحويل الكهرباء إلى موجات ميكروويف وبثها. تلك الموجات الدقيقة إلى أجهزة الاستقبال على بعد قدم واحدة، مما يؤدي إلى إضاءة اثنين من مصابيح LED.

قام النموذج الأولي أيضًا بإرسال كمية صغيرة ولكن يمكن اكتشافها من الطاقة إلى جهاز استقبال أعلى مبنى مختبرهم في باسادينا، كاليفورنيا. ويمثل العرض التوضيحي خطوة أولى في النقل اللاسلكي للطاقة القابلة للاستخدام من الفضاء إلى الأرض، وهو مصدر الطاقة الذي استخدمه السيد هاجيميري. يعتقد أنه سيكون أكثر أمانًا من أشعة الشمس المباشرة. وقال: “يجب أن تظل شدة الشعاع أقل من كثافة الطاقة الشمسية على الأرض”.

يعد العثور على مصادر بديلة للطاقة أحد الموضوعات التي سيناقشها قادة الأعمال والعلوم والسياسة العامة خلال حدث “كليمت فورورد” الذي نشرته صحيفة نيويورك تايمز يوم الخميس. كان عرض معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بمثابة لحظة مهمة في السعي لتحقيق الطاقة الشمسية الفضائية – وهي تكنولوجيا الطاقة النظيفة التي طغت عليها منذ فترة طويلة أفكار أخرى للطاقة النظيفة بعيدة المدى، مثل الاندماج النووي والهيدروجين النظيف منخفض التكلفة.

وقال نيكولاي جوزيف، كبير محللي التكنولوجيا في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، إنه إذا أمكن جعل الطاقة الشمسية الفضائية تعمل على نطاق تجاري، فإن مثل هذه المحطات يمكن أن تساهم بما يصل إلى 10 في المائة من الطاقة العالمية بحلول عام 2050.

كانت فكرة الطاقة الشمسية الفضائية موجودة منذ عام 1941 على الأقل، عندما وضع كاتب الخيال العلمي إسحاق أسيموف إحدى قصصه القصيرة بعنوان “السبب” على محطة شمسية تبث الطاقة عن طريق الموجات الدقيقة إلى الأرض والكواكب الأخرى.

في السبعينيات، عندما أثارت زيادة أسعار النفط بمقدار خمسة أضعاف الاهتمام بالطاقة البديلة، أجرت وكالة ناسا ووزارة الطاقة أول دراسة مهمة حول هذا الموضوع. وفي عام 1995، وتحت إشراف الفيزيائي جون سي مانكينز، ألقت وكالة ناسا نظرة أخرى وخلصت إلى أن الاستثمارات في تكنولوجيا الإطلاق الفضائي كانت ضرورية لخفض التكلفة قبل أن يصبح من الممكن تحقيق الطاقة الشمسية في الفضاء.

قال السيد مانكينز، الذي يشغل الآن منصب رئيس مجموعة Artemis Innovation Management Solutions، وهي مجموعة استشارية تكنولوجية: «لم يكن هناك أي شك على الإطلاق في إمكانية تحقيق ذلك من الناحية الفنية». “كانت التكلفة باهظة للغاية.”

لكن اليوم قد تتغير الحسابات.

أدى ظهور شركة SpaceX التابعة لشركة Elon Musk إلى انخفاض حاد في تكلفة إطلاق الصواريخ. ومن عام 1970 إلى عام 2000، كان متوسط ​​تكلفة إطلاق الصواريخ إلى مدار أرضي منخفض حوالي 18500 دولار للكيلوغرام الواحد، أو 2.2 رطل من الوزن؛ واليوم، انخفضت التكلفة إلى 1500 دولار للكيلوغرام. وقد ساعد هذا التخفيض بشكل كبير في تقليل تقديرات بناء محطات الطاقة خارج الغلاف الجوي للأرض.

وخلصت مراجعة أجرتها وكالة ناسا عام 1980 إلى أن أول جيجاوات من الطاقة الشمسية الفضائية (طاقة كافية لتشغيل 100 مليون مصباح LED) ستتكلف أكثر من 20 مليار دولار (100 مليار دولار اليوم). وبحلول عام 1997، قدرت وكالة ناسا أن هذا الرقم انخفض إلى حوالي 7 مليارات دولار (15 مليار دولار اليوم)؛ أما الآن، فيقدر أن يقترب من 5 مليارات دولار، بحسب دراسة أجريت لصالح وكالة الفضاء الأوروبية في عام 2022.

قال رامز نعم، وهو مستثمر في مجال المناخ والطاقة النظيفة: “كنت منتقدًا للطاقة الشمسية الفضائية. ويبحث السيد نام الآن بنشاط عن شركات الطاقة الشمسية الفضائية للاستثمار فيها. وقال: “إن التكلفة المتغيرة بشكل كبير لعمليات الإطلاق الفضائية قد غيرت كل شيء”.

تتطلب الطاقة الشمسية الفضائية نقل الطاقة الكهربائية لاسلكيًا عبر الفضاء باستخدام أشعة الميكروويف أو الليزر. على عكس أشعة الليزر، يمكن لأشعة الميكروويف اختراق السحب وهطول الأمطار، مما يجعلها المرشح الرئيسي لتعظيم القدرة الشمسية.

ومع ذلك، لا تزال هناك عقبات هندسية. على الرغم من أن فريق السيد هاجيميري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أثبت أن نقل الطاقة اللاسلكية من الموجات الدقيقة في الفضاء أمر ممكن – وحتى إرسال كمية يمكن اكتشافها من الطاقة إلى الأرض – إلا أنهم لم يرسلوا طاقة كافية إلى الأرض لتحويلها إلى شكل قابل للاستخدام.

وقال بول جافي، وهو مهندس في مختبر أبحاث البحرية الأمريكية متخصص في تكنولوجيا شعاع الطاقة: “لم يقم أحد بإظهار شعاع الطاقة لمسافة تزيد عن بضعة كيلومترات”. يعتقد السيد هاجيميري أنه يمكن القيام بذلك. يقول مهندس معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إنه يعمل على تقنيات من شأنها تمكين مجموعة كبيرة من المركبات الفضائية خفيفة الوزن، التي تشبه الشراع، باستخدام مليارات من هوائيات الإرسال الصغيرة، لإنشاء شعاع مركّز يمكنه السفر آلاف الكيلومترات إلى الأرض وحمل طاقة بقيمة ميغاواط.

كما أن حجم هياكل الطاقة الشمسية الفضائية أمر مروع أيضًا. وأبرز مبنى في الفضاء اليوم هو محطة الفضاء الدولية، التي يبلغ طولها 357 قدمًا من البداية إلى النهاية. سيكون عرض أنظمة الطاقة الشمسية الفضائية عدة آلاف من الأقدام، وستكون هناك حاجة إلى جيش من الروبوتات لتجميع الهياكل بشكل مستقل أثناء وجودها في المدار.

بالإضافة إلى التغلب على التحديات التقنية، يجب على الباحثين أيضًا التأكد من سلامة إرسال الطاقة لاسلكيًا إلى الأرض. تشكل أشعة الميكروويف والليزر خطرًا معروفًا على صحة الإنسان عند تشغيلها بكثافة طاقة معينة. يقول الباحثون إن كثافة الطاقة الشمسية الموجودة في الفضاء سيتم تصميمها لتعمل ضمن الحدود التي وضعتها الهيئات الإدارية الدولية. ومع ذلك، لم تركز أي دراسات على تأثير الأشعة الفضائية على صحة الإنسان، أو البيئة، أو الغلاف الجوي، وهي خطوة حاسمة لقبول الجمهور لهذه التكنولوجيا.

ومن ثم، فمن المحتم أن تنشأ تحديات تنظيمية. يتطلب إرسال موجات الراديو من المدار – بما في ذلك الاتصالات السلكية واللاسلكية ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والأقمار الصناعية الخاصة بالطقس – الحصول على ترخيص لمنع التداخل من مستخدمين مختلفين. ومن المرجح أن تحتاج أقمار الطاقة الشمسية إلى موافقة الاتحاد الدولي للاتصالات، وهو وكالة تابعة للأمم المتحدة، لحماية وترخيص ترددات تشغيلها.

إن تعقيد هذه التحديات يضع الوصول المتوقع لمعظم مشاريع الطاقة الشمسية الفضائية في ثلاثينيات أو أربعينيات القرن الحالي، إذا وصلت إلى هذه النقطة. وهذا لا يمنع الباحثين من المضي قدمًا في تحقيق حلم تسخير إمدادات الطاقة غير المنقطعة وغير المنقطعة من الفضاء.

قضى سانجاي فيجيندران، المهندس في وكالة الفضاء الأوروبية، الكثير من أعمال حياته في مشاريع استكشاف المريخ، لكن التغير المناخي أعاد تركيزه إلى الأرض. “هل هناك المزيد الذي يمكن أن يفعله هذا الفضاء للمساعدة بشكل مباشر في أزمة المناخ؟” يتذكر السيد فيجيندران أنه سأل نفسه وزملائه في عام 2020. وكانت النتيجة هي برنامج سولاريس، وهو برنامج يقوده والذي سيصدر تقريرًا بحلول عام 2025 حول الجدوى الفنية والاقتصادية للطاقة الشمسية الفضائية.

تعد شركة Virtus Solis، ومقرها في ميشيغان، وشركة Space Solar في المملكة المتحدة، من بين العديد من الشركات الناشئة التي تعمل في مجال الطاقة الشمسية الفضائية. تخطط الوكالات الحكومية – بما في ذلك وكالة ناسا، والقوات الجوية الأمريكية، ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية، ووكالة الفضاء الأوروبية، والأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء – لتبادل التقارير حول الطاقة الشمسية الفضائية في غضون العقد المقبل. منذ عام 2019، أطلق مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية عدة عروض توضيحية لشعاع الطاقة.

يعتقد الدكتور جافي أنه ليس هناك يقين بأن الطاقة الشمسية الفضائية ستعمل أو حتى ستكون ضرورية. وقال: “من الممكن أننا سنقوم بإنشاء مجموعة من البدائل الجيدة بما يكفي للطاقة المتوقعة لدينا، وهذا يجعل الطاقة الشمسية الفضائية غير ضرورية”.

السيد فيجيندران على استعداد أيضًا للاعتراف بأن الطاقة الشمسية الفضائية قد لا تعمل بدون التمويل المناسب. لكنه يرى حاجة مطلقة لاستكشاف هذا الخيار، خاصة بالنظر إلى ضآلة الأموال التي تم استثمارها في التكنولوجيا مقارنة بالحلول الأخرى.

وقال السيد فيجيندران: “إننا نستثمر المليارات في أبحاث الاندماج النووي كل عام”. “إذا استثمرت مليار دولار سنويًا في الطاقة الشمسية الفضائية، فسنكون جاهزين خلال 10 سنوات.”



المصدر

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى