إشعاع الطاقة الشمسية من الفضاء إلى الأرض
فاز فريق متعدد التخصصات من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في معرض Gizmodo للعلوم لعام 2024 لاختبار قمر صناعي يثبت أنه من الممكن جمع الطاقة الشمسية في الفضاء ثم إرسالها إلى الأرض كطاقة قابلة للاستخدام.
لقد كانت فكرة تسخير الطاقة الشمسية مباشرة من الفضاء عنصرًا أساسيًا في مؤلفي الخيال العلمي والمستقبليين منذ فترة طويلة، وقد تم إحباطها بسبب الحواجز التكنولوجية والتكلفة. والوعد مثير: إمدادات ضخمة وغير منقطعة من الطاقة الشمسية النظيفة، لا تتأثر بدورات النهار والليل، أو الفصول، أو الطقس، ومن المحتمل أن توفر طاقة أكبر من تلك التي توفرها الألواح الشمسية الأرضية. ومن المشجع أن النتائج التجريبية الأخيرة تشير إلى جدوى هذا المفهوم، وهو ابتكار يتمتع بالقدرة على إحداث تحول جذري في كيفية التقاط الطاقة وتوزيعها على الأرض.
السؤال
هل من الممكن تجميع الطاقة الشمسية بكفاءة وبتكلفة معقولة في المدار، ونقلها عبر الفضاء، ثم إلى الأرض؟ هل يمكن للطاقة الشمسية الفضائية أن توفر مصدر طاقة مستمرًا وأكثر موثوقية من الألواح الشمسية الأرضية، وهل يمكن للطاقة الشمسية الفضائية أن تساعد في التغلب على القيود المفروضة على الطاقة الشمسية الأرضية، مثل الطقس والليل واستخدام الأراضي؟
النتائج
كان جهاز عرض الطاقة الشمسية الفضائية التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (SSPD-1) بمثابة تقدم بارز في تطوير الطاقة الشمسية الفضائية. على الرغم من تواضع نطاقها، إلا أن تجربة إثبات المفهوم هذه يمكن أن تؤدي إلى أشياء أكبر. مثل أشياء أكبر بكثير.
تم إطلاق SSPD-1 إلى الفضاء في يناير 2023 على متن صاروخ Falcon 9، المدمج في مركبة Momentus Vigoride-5 الفضائية. وكانت مهمتها جمع الطاقة الشمسية في المدار ونقلها في الفضاء والعودة إلى الأرض. كما اختبرت آليات النشر وتقنيات الطاقة الشمسية الجديدة والمبتكرة. في نهاية المطاف، كان SSPD-1 بمثابة تجربة جدوى: هل يمكنه جمع الطاقة الشمسية في الفضاء وإرسالها، على شكل موجات ميكروويف، إلى الأرض كطاقة مفيدة؟
يتكون المشروع من ثلاثة مكونات رئيسية: DOLCE (لنشر الهيكل)، ALBA (لحصاد الطاقة الشمسية)، وMAPLE (لنقل الطاقة لاسلكيًا). واعتبرت هذه العناصر الثلاثة المتطلبات الأساسية للمضي قدمًا في مشروع أوسع نطاقًا.
تتميز تجربة DOLCE (التجربة المركبة فائقة الخفة القابلة للنشر على المدار) بهيكل يبلغ طوله 6 × 6 أقدام تم الكشف عنه بعد وقت قصير من الإطلاق، مما يدل على مطلب أساسي لبناء صفائف شمسية واسعة النطاق لجمع الطاقة في الفضاء. قال علي هاجيميري، مهندس كهربائي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وواحد من ثلاثة باحثين رئيسيين في فريق تطوير SSPD-1، إن DOLCE أظهر أنه “يمكنك الحصول على شيء يلتف ويفك وينتشر في الفضاء بطريقة بسيطة”.
قام مكون ALBA باختبار كفاءة الخلايا الكهروضوئية المختلفة في الفضاء. وشملت هذه التجربة 32 نوعا من الخلايا، بعضها لم يستخدم من قبل في الفضاء. وكانت النتيجة الحاسمة التي توصلت إليها ألبا هي تحديد الخلايا الشمسية الأكثر فعالية للتطبيقات الفضائية. ومن المرجح أن تكون هذه البيانات حيوية لتحسين توليد الطاقة الشمسية في المشاريع المستقبلية.
- أثبتت MAPLE (مصفوفة الموجات الدقيقة لتجربة المدار المنخفض لنقل الطاقة) جدوى نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء، سواء في المدار أو إلى محطات الاستقبال على الأرض. تضمنت هذه التجربة مجموعة مرنة من أجهزة إرسال الطاقة بالموجات الدقيقة، مما يوضح إمكانية استخدام تقنيات السيليكون فعالة من حيث التكلفة في الفضاء. أظهر MAPLE أنه من الممكن نقل الطاقة في فراغ الفضاء، وهي خطوة أساسية نحو تحقيق الطاقة الشمسية الفضائية.
لماذا فعلوا ذلك
كانت الطاقة الشمسية الفضائية موجودة كمفهوم لفترة طويلة، حيث قدم مؤلف الخيال العلمي الأسطوري إسحاق أسيموف الفكرة في قصته القصيرة عام 1941 بعنوان “السبب”. لقد ظل الخبراء يفكرون في هذا الاحتمال لعقود من الزمن، لكنه ظل عالقًا ضمن حدود الخيال العلمي. لكن جاذبية الطاقة الشمسية الفضائية لم تتلاشى أبدًا.
-
الجزء الداخلي من MAPLE، يُظهر مصفوفة الإرسال على اليمين وأجهزة الاستقبال على اليسار. الصورة: SSPP
تطلبت المفاهيم المبكرة هياكل ضخمة وثقيلة وتصنيعًا مكثفًا في الفضاء، وهو أمر غير عملي مع قدرات الإطلاق في ذلك الوقت والآن. وأوضح هاري أتواتر، مهندس المواد في المشروع ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، أن تكلفة تصنيع هذه الهياكل الكبيرة ستكون باهظة مقارنة بعائد الطاقة الذي ستولده.
تعمل الألواح الشمسية بالفعل على تشغيل محطة الفضاء الدولية، ولكن لكي يتمكن مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) من توصيل الطاقة إلى الأرض، احتاج الباحثون إلى تطوير أنظمة نقل الطاقة الشمسية التي تكون صغيرة وخفيفة الوزن للغاية وفعالة من حيث التكلفة ومرنة للإطلاق. والنشر. واعتبر الخبراء أن عرض نقل الطاقة لاسلكيًا في الفضاء باستخدام هياكل خفيفة الوزن يعد خطوة حاسمة نحو تطوير الطاقة الشمسية الفضائية للاستخدام العالمي.
وقال أتواتر إن فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يهدف إلى “تحقيق رؤية الطاقة الشمسية الفضائية بطريقة اقتصادية وقابلة للتطوير، وإلى تغيير مستوى مكونات التكنولوجيا من خلال إنشاء مكونات خفيفة للغاية ومنخفضة التكلفة ومرنة”.
لماذا هم الفائز
وتمثل الإنجازات التي تقدمها دولتشي وألبا ومابل قفزة إلى الأمام في هذا المجال. تغلب الفريق على العديد من التحديات خلال المهمة، بما في ذلك مواطن الخلل أثناء مرحلة النشر، والتي لم يكن من السهل حلها نظرًا لتحديات العمل في الفضاء.
-
اكتشف الفريق الطاقة من MAPLE على سطح مختبر مور. الصورة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/SSPP
قال هاجيميري: “لم تكن رحلة بحرية ممتعة من حيث القدرة على التواصل مع المركبة الفضائية وتنزيل البيانات”. “لقد استغرق الأمر بضعة أشهر حتى يتم حل بعض هذه الأمور. لقد واجهنا، حتى النهاية، مشكلات تتعلق بعدة جوانب مختلفة منه. لكن الجزء الأكبر من المهمة كان ناجحًا لأنه تمكنا من إيجاد حلول بديلة. وأضاف: “إذا لم يكن لديك أي تحديات أو مشاكل أو إخفاقات بسيطة، فإنك لا تتعلم الكثير”.
إن العمل الذي تم إنجازه لتطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية، والعرض الناجح لنقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء، يضع الأساس للتحسينات المستقبلية في هذا المفهوم. وقال أتواتر إن الطاقة التي تم إرسالها إلى الأرض كانت كمية رمزية، “لكنها كانت كافية فقط للقول: “مرحبًا، هذا يعمل”.”
وهناك الجانب الإنساني والبيئي الذي يجب أخذه بعين الاعتبار. تعد الطاقة الشمسية الفضائية بمصدر طاقة نظيف وغير محدود يمكن أن يقلل بشكل كبير من اعتمادنا على الوقود الأحفوري.
النظام المقترح آمن أيضًا. لقد تم تصميمه مع القيود المتأصلة التي وضعتها الفيزياء الطبيعية، مما يضمن عدم تجاوز الطاقة المنقولة عتبة معينة. وبناءً على ذلك، لا ينبغي للنظام أن يسخن المعدات أكثر من اللازم، أو يتداخل مع الإلكترونيات، أو يسبب ضررًا للكائنات الحية. كما أنها تستخدم أفران ميكروويف منخفضة الطاقة لنقل الطاقة، والتي تولد الحرارة في المقام الأول وأكثر أمانًا إلى حد كبير من الإشعاع الشمسي. وفقا للباحثين. يتعلق الأمر بالبشر والحيوانات والأجهزة الإلكترونية التي يمكن أن تتأثر بالإشعاع عالي الكثافة؛ ولكن من غير المرجح أن تسبب أجهزة الميكروويف منخفضة الطاقة أي ضرر. علاوة على ذلك، تم تجهيز النظام بأدوات تحكم ذكية يمكنها التكيف مع الظروف غير المتوقعة، مثل العوائق التي تعترض طريق الطاقة.
ما هو التالي
يقوم الفريق حاليًا بمراجعة نتائج المهمة، وجمع البيانات والأفكار التي يمكن أن تفيد المهمة الثانية لتحسين المفهوم بشكل أكبر.
-
نموذج أولي للوحة هوائي لجهاز إرسال الطاقة، يوضح مرونته. الصورة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/SSPP
وفي المستقبل، تتصور مجموعة كالتيك إطلاق أسطول من المركبات الفضائية المعيارية المصممة لتسخير ضوء الشمس، وتحويله إلى كهرباء، ومن ثم تحويله إلى أفران ميكروويف. إذا عمل هذا النظام كما هو مخطط له، فسيكون قادرًا على توجيه الطاقة إلى مواقع محددة على الأرض باستخدام مجموعة من أجهزة إرسال الطاقة التي تعمل بشكل متناغم. سيتم نقل الموجات الميكروية المولدة عبر الهواء عبر مسافات شاسعة، مما يوفر الطاقة حتى للمناطق التي لا تتمتع بإمكانية الوصول الثابت إلى الكهرباء. ومن اللافت للنظر أن الطاقة من هذا النظام يمكن الحصول عليها دون الحاجة إلى بنية تحتية متخصصة على الأرض (يستخدم النظام أجهزة استقبال تعمل بالموجات الدقيقة، والتي يمكن أن تكون بسيطة وخفيفة الوزن، مما يسمح بنشرها بسرعة وسهولة)، ويمكن استخدامها لتوصيل الطاقة إلى المناطق النائية أو المواقع التي تتصارع مع آثار الحرب أو الكوارث الطبيعية.
وفي المستقبل، يمكن لمحطات الطاقة الشمسية الفضائية الكبيرة، والتي من المحتمل أن تكون في مدار متزامن مع الأرض، أن تولد كميات كبيرة من الطاقة، وفقًا لأتواتر. وعلى سبيل المقارنة، يمكن لمحطة طاقة أرضية نموذجية، مثل تلك التي تستخدم الفحم أو الطاقة النووية، أن تنتج ما بين 500 ميجاوات إلى جيجاوات بشكل مستمر. يمكن أن تخدم المحطات الفضائية احتياجات مختلفة، حيث توفر ما بين 10 إلى 50 ميجاوات للتطبيقات النائية أو المتخصصة، مثل القواعد العسكرية أو المجتمعات المعزولة. ومع ذلك، من أجل دمجها في شبكة الطاقة أو إمداد العملاء الصناعيين، تهدف هذه المحطات إلى توفير بضع مئات من الميغاواط على الأقل.
الفريق
-
من اليسار إلى اليمين: سيرجيو بيليجرينو، وهاري أتواتر، وعلي هاجيميري، الباحثون الرئيسيون في مشروع الطاقة الشمسية الفضائية. الصورة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/SSPP
الباحثون الثلاثة الرئيسيون في المشروع هم أساتذة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا هاري أتواتر وعلي هاجيميري، إلى جانب سيرجيو بيليجرينو، الخبير في هندسة الطيران. جمع مشروع الطاقة الشمسية الفضائية ثلاثة فرق متعددة التخصصات من مهندسي الطيران والفيزيائيين والمهندسين الكهربائيين. قال هاجيميري: “كان على الباحثين الرئيسيين أن يتعلموا أشياء جديدة، لكن معظم العمل تم إنجازه من قبل باحثين ما بعد الدكتوراه، وباحثين، وطلاب دراسات عليا، وحتى بعض طلاب المرحلة الجامعية”.
انقر هنا لرؤية جميع الفائزين في معرض Gizmodo للعلوم لعام 2024.
اكتشاف المزيد من موقع دبليو 6 دبليو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
