Kat Friedrich

هل الطاقة الشمسية الفضائية مجرد حلم باهظ التكلفة ومحفوف بالمخاطر، أم أنها وسيلة مجدية لمكافحة تغير المناخ؟ على الرغم من أن نقل الطاقة الشمسية من الفضاء إلى الأرض قد ينطوي في النهاية على نقل جيجاوات، فإن العملية يمكن أن تكون آمنة وفعالة من حيث التكلفة بشكل مدهش، وفقًا لخبراء من Space Solar ووكالة الفضاء الأوروبية وجامعة جلاسكو.

لكننا سنحتاج إلى تجاوز المعدات التجريبية بشكل كبير وحل عدد من التحديات الهندسية إذا أردنا تطوير هذا الإمكان.

تصميم الطاقة الشمسية الفضائية

إرسال الطاقة الشمسية من الفضاء ليس أمرًا جديدًا؛ فقد كانت الأقمار الاصطناعية للاتصالات ترسل إشارات الميكروويف المولدة بواسطة الطاقة الشمسية إلى الأرض منذ الستينيات. لكن إرسال كميات مفيدة من الطاقة هو أمر مختلف تمامًا.

قال نيكول كابلين، عالِم استكشاف الفضاء العميق في وكالة الفضاء الأوروبية، في بودكاست لمجلة Physics World: “كانت الفكرة موجودة منذ أكثر من قرن بقليل. كانت المفاهيم الأصلية بالفعل خيالًا علميًا. إنها متجذرة نوعًا ما في الخيال العلمي، لكن منذ ذلك الحين، كانت هناك موجة من الاهتمام تأتي وتذهب”.

يقوم الباحثون باستكشاف تصاميم متعددة للطاقة الشمسية الفضائية. كتب ماتيو سيريوني، محاضر أول في هندسة نظم الفضاء في جامعة غلاسكو، في مجلة The Conversation، أن العديد من التصاميم قد تم اقتراحها.

تستكشف مبادرة Solaris تقنيتين محتملتين، وفقًا لسانجاي فيجيندران، رئيس مبادرة Solaris في وكالة الفضاء الأوروبية: واحدة تتضمن إرسال الموجات الدقيقة من محطة في مدار ثابت بالنسبة للأرض إلى مستقبل على الأرض، وأخرى تتضمن استخدام مرايا ضخمة في مدار أدنى لعكس ضوء الشمس إلى مزارع الطاقة الشمسية. وقال إنه يعتقد أن كلا الحلين لهما قيمة محتملة. إن تقنية الموجات الدقيقة قد جذبت اهتمامًا أوسع وكانت محور التركيز الرئيسي لهذه المقابلات. ولديها إمكانات هائلة، على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام موجات الراديو عالية التردد.

قال فيجيندران: “لديك حقًا مصدر طاقة نظيف على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع من الفضاء”. يمكن نقل الطاقة بغض النظر عن الظروف الجوية بسبب تردد الموجات الدقيقة.

قال أندرو جليستر، مقدم بودكاست “فيزيكس وورلد”: “إن محطة طاقة بقدرة 1 جيجاوات في الفضاء يمكن مقارنتها بأكبر خمس مزارع للطاقة الشمسية على الأرض. يمكن لمحطة طاقة بسعة 1 جيجاوات أن تزود حوالي 875 ألف منزل بالطاقة لمدة عام واحد”.

لكننا لسنا مستعدين لنشر أي شيء من هذا القبيل حتى الآن. قال كابلين: “سيكون تحديًا هندسيًا كبيرًا”. هناك عدد من العقبات الفيزيائية التي ينطوي عليها بناء محطة للطاقة الشمسية بنجاح في الفضاء.

باستخدام تقنية الموجات الدقيقة، يجب أن تكون مجموعة الألواح الشمسية لمحطة توليد الطاقة المدارية التي تولد جيجاوات من الطاقة أكثر من كيلومتر مربع واحد في الحجم، وفقًا لمقال في مجلة نيتشر للصحفية الكبيرة إليزابيث جيبني. “هذا أكثر من 100 مرة حجم محطة الفضاء الدولية، التي استغرق بناؤها عقدًا من الزمن”. كما سيحتاج الأمر إلى التجميع الروبوتي، نظرًا لأن المنشأة المدارية ستكون غير مأهولة.

يجب أن تكون الخلايا الشمسية مقاومة لإشعاع الفضاء والحطام. كما يجب أن تتميز بكفاءة عالية وخفة وزن، بنسبة قدرة إلى وزن تزيد 50 مرة عن الخلايا الشمسية السيليكونية التقليدية، كما ذكرت جيبني .بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون تكلفة هذه الخلايا منخفضة، وهذا عامل أساسي يجب أن يأخذه المهندسون في الاعتبار. ويمثل تقليل الفاقد أثناء نقل الطاقة تحديًا آخر. فوفقًا لوكالة الفضاء الأوروبية، يجب زيادة كفاءة تحويل الطاقة إلى ما بين 10% و15.% وهذا يتطلب تطورات تقنية كبيرة.

تعمل شركة Space Solar على تصميم قمر اصطناعي أطلق عليه اسم CASSIOPeiA ، وتصفه مجلة Physics World بأنه يبدو “مثل سلم حلزوني، حيث تكون الألواح الشمسية هي الدرجات، وجهاز الإرسال الميكروويفي، المكون من ثنائيات على شكل قضبان، هو الجزء العمودي .”يتميز هذا التصميم الحلزوني بعدم وجود أجزاء متحركة.

قال سام أدلين، الرئيس التنفيذي لشركة Space Solar: “نظامنا يتكون من مئات الآلاف من وحدات الطاقة التي تكون بحجم طبق العشاء. كل وحدة تحتوي على الخلايا الضوئية التي تحول طاقة الشمس إلى كهرباء تيار مستمر”.

وأضاف أدلين: “ثم تقوم تلك الطاقة المستمرة بتشغيل الإلكترونيات لنقل الطاقة نحو الأرض من هوائيات ثنائية القطب. تُحوّل الطاقة في الفضاء إلى موجات ميكروويف وتُرسل إلى الأرض في شعاع متماسك، فيتم استقبالها بواسطة هوائي تقويمي، ويُعاد تحويلها إلى كهرباء، وتُدخل إلى الشبكة”.

كتب سيريوني أن SPS-ALPHA، وهو تصميم آخر، يحتوي على هيكل كبير لجمع الطاقة الشمسية يتضمن العديد من الهليوستات، وهي عاكسات صغيرة معيارية يمكن تحريكها بشكل فردي. تركز هذه العاكسات ضوء الشمس على وحدات توليد الطاقة المنفصلة، وبعد ذلك يتم نقل الطاقة إلى الأرض بواسطة وحدة أخرى.

السلامة المستندة إلى الفضاء

تنطوي هذه الخطط على تدفقات كبيرة من إشعاع الميكروويف أو الراديو. لكن الطاقة الشمسية الفضائية تعتبر آمنة نسبيًا. وبالنسبة لإشعاع الميكروويف من محطة طاقة شمسية فضائية، قال فيجيندران: “إن الأثر الوحيد المعروف لهذه الترددات على البشر أو الكائنات الحية هو تسخين الأنسجة. إذا وقفت في مثل هذا الشعاع عند هذا المستوى من الطاقة، فسيكون الأمر مثل الوقوف في شمس المساء”. ومع ذلك، قال كابلين إن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لدراسة تأثيرات هذه الموجات الدقيقة على البشر، والحيوانات، والنباتات، والأقمار الصناعية، والبنية التحتية، والأيونوسفير.

ومع ذلك، قد يظل إيصال ذلك إلى الناس تحديًا. قال أدلين: “لا يزال هناك قضية تصور عام يجب العمل من خلالها، وسيحتاج الأمر إلى مشاركة قوية لإحضار هذا إلى السوق بنجاح”.

قد تثير الهجمات العسكرية باستخدام الطاقة الشمسية الفضائية أيضًا مخاوف. لكن حتى لو تم اختطاف محطة طاقة شمسية فضائية لأسباب عسكرية، فإن الأجهزة ستحد من الشعاع إلى كثافة آمنة بحيث لا يمكن استخدامها لإلحاق الضرر بالناس أو الأنظمة البيئية على الأرض، كما قال سيريوني.

إلى جانب القضايا البيئية، هناك مخاوف إضافية يجب حلها قبل النشر. التداخل مع إشارات الاتصالات هو خطر محتمل آخر، على الرغم من أن جيبني كتبت أن تردد الشعاع لن يعطل اتصالات الطائرات. هناك بعض المخاطر الفيزيائية الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار.

قال فيجيندران إن الحطام المداري مثل النيازك أو النفايات الفضائية يمكن أن يصطدم بالمحطة ويضرها. وإذا تسببت التصادمات في توليد حطام من محطة الطاقة الشمسية، فقد يتسبب ذلك في مشاكل أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، سيتعين التخلص من الأجهزة نفسها عند نهاية عمرها الافتراضي. قال كابلين: “لدى وكالة الفضاء الأوروبية مبادرة الفضاء النظيف. أي شيء نرسله إلى الفضاء، يجب أن نفكر في دورة حياته الكاملة، من المهد إلى اللحد”.

وأخيرًا، سيظل للمشروع تأثير بيئي. ويرى سيريوني أن وضع أجهزة محطة الطاقة الشمسية في المدار وبناءها، والتحكم فيها سيولد تلوثًا ويستخدم كمية كبيرة من الوقود. وقد تتطلب هذه العملية مئات الإطلاقات.

اقتصاديات الإطلاق

وبعيدًا عن تأثيرها البيئي، فإن هذه الإطلاقات سوف تكلف أموالاً. وقال كابلين إن التكلفة كانت تشكل عادة العائق الرئيسي أمام بناء محطة للطاقة الشمسية الفضائية حتى الآن. وأضاف: “مع تغير هذا المشهد وانخفاض تكلفة إرسال الأشياء إلى الفضاء بشكل عام، يمكننا طرح الأمر على الطاولة مرة أخرى. المال هو الذي يتحدث. لقد حصلنا على المشورة من دراستين مستقلتين حول تحليلات التكلفة والفائدة، وقد خلصت كلتاهما إلى أن هذا قد يكون قابلاً للتطبيق”.”.
وقال سيراوتي إن تكلفة الطاقة الشمسية الفضائية ستشمل تكاليف التصنيع وتكاليف الصيانة وتكاليف الإطلاق.

وقال فيجيندران: “نتوقع أن تنخفض التكلفة في المستقبل. يمكننا أن نبدأ بطاقة تكون منافسة لما ندفعه للطاقة النووية اليوم.. بين 100 و200 دولار لكل ميجاوات/ ساعة، وهو أعلى من مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية والرياح، لكنه يؤدي دورًا لأنه موثوق ومتوافر على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع”.

ويضيف فيجيندران أنه يتوقع أن تنخفض تكلفة الطاقة الشمسية الفضائية في النهاية إلى نقطة تكون فيها منافسة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح على الأرض، والتي تقل عن 50 دولارًا لكل ميجاوات/ ساعة. ووفقًا لمنشور إدارة معلومات الطاقة لعام 2022 حول هذا الموضوع، بلغت تكلفة كل من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح البرية حوالي 20 إلى 45 دولارًا لكل ميجاوات/ ساعة في عام 2021.

تقدير تكلفة أدلين أقل بكثير، حوالي ربع تكلفة الطاقة النووية.

كتب سيريوني أن شركتي SpaceX وBlue Origin تصممان مركبات إطلاق يمكنها التعامل مع الرفع الثقيل. ويمكن إعادة استخدام أجزاء هذه المركبات، ويمكن لقدرتها العالية وإعادة استخدامها خفض تكلفة بعض جوانب البناء بنسبة 90 بالمئة.

وقال فيجيندران: “بالنظر إلى المستقبل، ما هي الخطوات التالية في تطوير الطاقة الشمسية الفضائية؟ تخطط وكالة الفضاء الأوروبية لاتخاذ قرار العام المقبل بشأن أهدافها في تطوير محطة فضائية غير مأهولة”. وقد تباطأت العملية بسبب نقص الدعم المالي من بعض الدول الأوروبية.

ويتابع: “سيكون أول قرار رئيسي هو تنفيذ مهمة عرض صغيرة النطاق في الفضاء لإطلاقها في وقت ما حوالي عام 2030”.

خارج وكالة الفضاء الأوروبية، قدمت معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا نموذجًا أوليًا خفيف الوزن يحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية بتردد الراديو وينقلها كشعاع. كانت الجامعة تبحث في معدات طاقة شمسية فضائية معيارية، قابلة للطي، وخفيفة للغاية.

قال أدلين: “وجهة نظري هي أن عالم الاتصال انتقل من السلكي إلى اللاسلكي، وبالمثل سنرى عالم الطاقة يتحرك في نفس الاتجاه”. سيكون التعاون الدولي هو المفتاح لإنشاء محطات طاقة شمسية فضائية إذا تم المضي قُدمًا في مشاريع مثل هذه.

إعداد: وحدة الترجمات بمركز سمت للدراسات
المصدر: WIRED