الخطة الجريئة لوضع مزارع الطاقة الشمسية في الفضاء وإعادة الطاقة إلى الأرض

أمضى علي هاجيميري عقدًا من الزمن في البحث عن كيفية وضع الألواح الشمسية في الفضاء وإرسال الطاقة إلى الأرض. ومع ذلك، عندما يتحدث أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا عن عمله، يكون لدى الناس دائمًا ثلاثة أسئلة، عادةً بهذا الترتيب: لماذا لا نضع الألواح الشمسية على الأرض فحسب؟ هل ستقلي الطيور في السماء؟ هل تقوم ببناء نجمة الموت؟

يمزح الحاجميري قائلاً إنه يخطط لطباعة الإجابات على البطاقة. قال: “سأحتفظ بها في محفظتي لأريها للناس”.

كان هاجيميري في الأصل متشككًا في الطاقة الشمسية الفضائية، وقد أثار اهتمامه عندما بدأ يبحث عن كثب في الفكرة. وقال لشبكة CNN: “في المتوسط، تحصل على طاقة أكبر بنحو ثمانية أضعاف في الفضاء” مقارنة بالطاقة الشمسية على الأرض. الشعاع لن يقتل الحيوانات أيضاً وأما نجمة الموت؟ وأضاف أن الشعاع لن يكون قويا بما يكفي لاستخدامه كسلاح.

وفي هذا العام، خطى هاجيميري وفريقه خطوة نحو جعل الطاقة الشمسية الفضائية حقيقة واقعة.

وفي شهر يناير، أطلقوا مشروع Maple، وهو نموذج أولي للطاقة الشمسية في الفضاء يبلغ طوله 30 سنتيمترًا ومجهزًا بأجهزة إرسال مرنة وخفيفة الوزن. كان الهدف هو جمع الطاقة من الشمس ونقلها لاسلكيًا إلى الفضاء، وهو ما فعلوه، حيث تمكنوا من إضاءة زوج من مصابيح LED.

لكن “الهدف الممتد” كان معرفة ما إذا كان بإمكان ميبل أيضًا إرسال طاقة يمكن اكتشافها إلى الأرض. وفي شهر مايو، قرر الفريق إطلاق “تجربة تجريبية” لمعرفة ما سيحدث. وعلى سطح أحد حرم معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا، كاليفورنيا، تمكن هاجيميري والعلماء الآخرون من التقاط إشارة مابل.

كانت كمية الطاقة التي اكتشفوها ضئيلة للغاية بحيث لا تكون مفيدة، لكنهم نجحوا في إرسال الطاقة لاسلكيًا من الفضاء. قال هاجيميري: “فقط بعد أن اتضح لنا قليلاً، حسنًا، كان هذا شيئًا مميزًا للغاية”.

قد تبدو الطاقة الشمسية الفضائية فكرة جامحة ومستقبلية، ولكنها ليست جديدة. يعود تاريخها إلى عام 1941، وقد تم وصفها في قصة قصيرة كتبها كاتب الخيال العلمي إسحاق أسيموف. وفي العقود التي تلت ذلك، استكشفت دول، بما في ذلك الولايات المتحدة والصين واليابان، هذه الفكرة، لكن تم تجاهلها لسنوات. وقال مارتن سولتاو، الرئيس التنفيذي لشركة سبيس سولار ومقرها المملكة المتحدة: “كان الوضع الاقتصادي مجرد مخرج”.

وربما يتغير هذا الآن مع الانخفاض الحاد في تكلفة إطلاق الأقمار الصناعية، والتقدم السريع في تكنولوجيا الطاقة الشمسية والروبوتات، وأصبحت الحاجة إلى طاقة نظيفة وفيرة لتحل محل الوقود الأحفوري الذي يسخن الكوكب أكثر إلحاحا.

وقال كريج أندروود، الأستاذ الفخري لهندسة المركبات الفضائية في جامعة ساري بالمملكة المتحدة، إن هناك “ترابطًا بين التقنيات المختلفة التي تجتمع معًا الآن عندما نحتاج إليها”.

المشكلة هي أن هذه التقنيات يجب أن يتم نشرها على نطاق لا يشبه أي شيء تم القيام به من قبل.

ما هي الطاقة الشمسية الفضائية؟

تعتبر الطاقة الشمسية الفضائية في جوهرها مفهومًا واضحًا إلى حد ما. يمكن للبشر تسخير القوة الهائلة للشمس في الفضاء، حيث تكون متاحة باستمرار – دون أن تتأثر بالطقس السيئ أو الغطاء السحابي أو الليل أو الفصول – وإرسالها إلى الأرض.

هناك مفاهيم مختلفة، لكنها ستعمل تقريبًا على النحو التالي: سيتم إرسال أقمار صناعية ضخمة تعمل بالطاقة الشمسية، ويبلغ قطر كل منها أكثر من ميل، إلى مدار مرتفع جدًا.

وقال سولتو لشبكة CNN، إنه بسبب الحجم الهائل لهذه الهياكل، فإنها ستتكون من مئات الآلاف من الوحدات الأصغر حجمًا، والتي يتم تصنيعها بكميات كبيرة، “مثل قطع الليغو”، والتي سيتم تجميعها في الفضاء بواسطة آلات تجميع روبوتية مستقلة.

ستقوم الخلايا الشمسية للقمر الصناعي بالتقاط طاقة الشمس وتحويلها إلى موجات ميكروويف وإرسالها إلى الأرض لاسلكيًا عبر جهاز إرسال كبير جدًا، قادر على ضرب نقاط محددة على الأرض بدقة.

سيتم توجيه الموجات الدقيقة، التي يمكن أن تنتقل بسهولة عبر السحب والطقس السيئ، إلى هوائي استقبال (أو “مستقيم”) على الأرض مصنوع من شبكة – “فكر في نوع من شبكة صيد معلقة على أعمدة من الخيزران”، كما قال سولتو – حيث سيتم تحويل أجهزة الميكروويف مرة أخرى إلى كهرباء وإدخالها في الشبكة.

ويمكن بناء الهوائي، الذي يبلغ قطره حوالي 6 كيلومترات (3.7 ميل)، على الأرض أو في البحر. ولأن هذه الهياكل الشبكية ستكون شبه شفافة، فإن الفكرة هي أن الأرض الموجودة تحتها يمكن استخدامها للألواح الشمسية أو المزارع أو غيرها من الأنشطة.

يمكن لقمر صناعي شمسي فضائي واحد أن يولّد ما يصل إلى 2 جيجاوات من الطاقة، أي تقريبًا نفس الكمية التي توفرها محطتان متوسطتان للطاقة النووية في الولايات المتحدة.

لقد حان فكرة وقتها؟

وقال أندروود، البروفيسور البريطاني، لشبكة CNN: “لا يوجد شيء من الخيال العلمي” حول الطاقة الشمسية الفضائية. وقال إن التكنولوجيا ناضجة. “إن حجر العثرة الكبير كان ببساطة التكلفة الهائلة لوضع محطة طاقة في المدار.”

على مدار العقد الماضي، بدأ هذا يتغير مع بدء شركات مثل SpaceX وBlue Origin في تطوير صواريخ قابلة لإعادة الاستخدام. وتبلغ تكاليف الإطلاق اليوم حوالي 1500 دولار للكيلوغرام الواحد، وهي أقل بحوالي 30 مرة مما كانت عليه في عصر المكوك الفضائي في أوائل الثمانينات.

وبينما يبدو إطلاق آلاف الأطنان من المواد إلى الفضاء وكأنه سيكون له بصمة كربونية ضخمة، فمن المرجح أن يكون للطاقة الشمسية الفضائية بصمة مماثلة على الأقل للطاقة الشمسية الأرضية لكل وحدة طاقة، إن لم تكن أصغر، بسبب كفاءتها المتزايدة مثل ضوء الشمس. وقالت ماماثا ماهيشوارابا، قائدة أنظمة الحمولة في وكالة الفضاء البريطانية، إن القمر الصناعي متاح بشكل شبه دائم.

ويذهب بعض الخبراء إلى أبعد من ذلك. وقال أندروود إن البصمة الكربونية للطاقة الشمسية الفضائية ستكون حوالي نصف تلك التي تنتجها مزرعة الطاقة الشمسية الأرضية التي تنتج نفس الطاقة، حتى مع إطلاق الصاروخ.

وأضاف أن هذا لا يعني أن الطاقة الشمسية الفضائية يجب أن تحل محل مصادر الطاقة المتجددة الأرضية. والفكرة هي أنه يمكن أن يوفر طاقة “الحمل الأساسي” التي يمكن استدعاؤها على مدار الساعة لملء الفجوات عندما لا تهب الرياح ولا تشرق الشمس على الأرض. في الوقت الحالي، يتم توفير طاقة الحمل الأساسي من خلال محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري أو الطاقة النووية، والتي تكون قادرة على العمل دون انقطاع يذكر.

وقال بيتر جاريتسون، وهو زميل بارز في الدراسات الدفاعية في مجلس السياسة الخارجية الأمريكية، إن القوة ستكون “قابلة للتنقل للغاية”. ويمكن إرسالها من الفضاء إلى أعلى أوروبا، على سبيل المثال، ثم إلى أسفل أفريقيا.

ويشير العديد من المؤيدين إلى الإمكانات التي يمكن أن توفرها للبلدان النامية التي تحتاج إلى طاقة كبيرة ولكنها تفتقر إلى البنية التحتية. كل ما سيحتاجونه هو المستقيم. وقال سولتاو: “سيوفر ديمقراطية حقيقية للطاقة الوفيرة بأسعار معقولة”.

يمكن للطاقة الشمسية الفضائية أيضًا أن تساعد في تزويد البلدات والقرى النائية في القطب الشمالي بالطاقة والتي تقع في ظلام دامس تقريبًا لعدة أشهر كل عام، ويمكن أن تبث الطاقة لدعم المجتمعات التي تعاني من انقطاع التيار الكهربائي أثناء الكوارث المناخية أو الصراعات.

التحديات

لا تزال هناك فجوة كبيرة بين المفهوم والتسويق.

وقال ماهيشوارابا من وكالة الفضاء البريطانية: “نحن نعرف كيفية بناء قمر صناعي، ونعرف كيفية بناء مجموعة شمسية”. “ما لا نعرفه هو كيفية بناء شيء بهذا الحجم في الفضاء.”

وضربت مثالا ببرج خليفة في دبي، أطول مبنى في العالم، والذي يبلغ ارتفاعه حوالي 830 مترا، أو ما يقرب من 2700 قدم. وقال ماهيشوارابا لشبكة CNN: “إن الهياكل التي نتحدث عنها هي ضعف ذلك”. “لذا، فإننا لم نقم حتى ببناء شيء بهذا الحجم على الأرض، ناهيك عن الفضاء.”

يحتاج العلماء أيضًا إلى معرفة كيفية استخدام الذكاء الاصطناعي والروبوتات لبناء وصيانة هذه الهياكل في الفضاء. وقال ماهيشوارابا: “لا تزال التقنيات التمكينية في حالة استعداد تكنولوجي منخفض للغاية”.

ثم هناك تنظيم نظام الطاقة الجديد هذا، لضمان بناء الأقمار الصناعية بشكل مستدام، وليس هناك خطر الحطام، ولديهم خطة لنهاية العمر، بالإضافة إلى تحديد المكان الذي يجب أن توجد فيه مواقع التصحيح.

وقال ماهيشوارابا إن التأييد العام قد يشكل عقبة كبيرة أخرى. يمكن أن يكون هناك خوف غريزي عندما يتعلق الأمر بإرسال الطاقة من الفضاء.

لكن هذه المخاوف لا أساس لها من الصحة، بحسب بعض الخبراء. ستكون كثافة الطاقة في مركز المستقيم حوالي ربع كثافة طاقة شمس الظهيرة. قال هاجيميري: “الأمر لا يختلف عن الوقوف أمام مصباح حراري”.

وقال هاجيميري، إنه لبناء قمر صناعي قادر على إلحاق الضرر بالناس، يجب أن يكون أكبر بعدة مرات من المفاهيم التي يتم تطويرها حاليًا. “أي شخص يحاول البدء في بناء ذلك، سيعلم الجميع.”

وقال إن هذا لا يعني أنه لا ينبغي طرح الأسئلة. الفكرة هي “إفادة الإنسانية، وإذا لم يحدث ذلك، فلا فائدة من ذلك”.

ومع ذلك، بالنسبة للبعض، فإن مفهوم الطاقة الشمسية الفضائية برمته ليس في محله.

وقال أموري لوفينز، عالم الفيزياء والأستاذ المساعد في جامعة ستانفورد، إن العالم سيكون أفضل بكثير في التركيز على مصادر الطاقة المتجددة الأرضية. وقال لشبكة CNN إن الطاقة الإضافية في الفضاء والقدرة على حصادها على مدار 24 ساعة في اليوم تقريبًا “ليست ذات قيمة كافية لدفع تكلفة جمعها وتوجيه الطاقة إلى الأسفل”.

بالنسبة إلى لوفينز، فإن الوعود بأن النظام سيكون مصدرًا رائعًا لطاقة الحمل الأساسي لا تصمد أيضًا. هناك تقنيات للتوفيق بين الطلب على الطاقة والعرض، وليس العكس، دون أن يلاحظ المستهلكون ذلك. وقال إن وجود مصدر طاقة ضخم ينتج طوال الوقت هو أمر “غير مرن بشكل غير مرغوب فيه”.

“لماذا تنفق الأموال على شيء ليس لديه أي فرصة لإثبات جدوى إذا نجحت، والذي سيتم تلبية احتياجاته قبل أن تتمكن من بنائه، والذي تكون تقديرات التكلفة المستقبلية الأكثر تفاؤلاً له هي نفس السعر الحالي للطاقة الشمسية الأرضية بالإضافة إلى البطاريات؟ ” سأل.

المستقبل

لكن الحكومات والشركات في جميع أنحاء العالم تعتقد أن هناك وعدًا كبيرًا في مجال الطاقة الشمسية الفضائية للمساعدة في تلبية الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة الوفيرة ومعالجة أزمة المناخ.

وقال سولتاو إن برنامج التطوير القادر على إثبات إثبات المفهوم سيستغرق حوالي خمس أو ست سنوات. وسوف يستغرق الأمر بعد ذلك خمس أو ست سنوات أخرى لتصنيع وتوسيع نطاق النظام على نطاق جيجاوات حتى يصبح جاهزًا للعمل بكامل طاقته.

وقال إن الدعم الحكومي القوي سيكون أساسيا. “إنه أمر طموح أن نبتكر تكنولوجيا طاقة جديدة تمامًا.”

وفي الولايات المتحدة، يخطط مختبر أبحاث القوات الجوية لإطلاق نموذج تجريبي صغير يسمى أراكني في عام 2025، كما أطلق مختبر أبحاث البحرية الأمريكية وحدة في مايو 2020 على متن مركبة اختبار مدارية، لاختبار أجهزة الطاقة الشمسية في الظروف الفضائية.

تهدف الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء، وهي مصممة ومصنعة للمركبات الفضائية، إلى إرسال قمر صناعي شمسي إلى مدار منخفض في عام 2028 وإلى مدار مرتفع بحلول عام 2030، وفقًا لتقرير South China Morning News لعام 2022.

كان هناك موجة من النشاط من حكومة المملكة المتحدة. وقد كلفت بإجراء دراسة مستقلة أفادت في عام 2021 أن الطاقة الشمسية الفضائية ممكنة من الناحية الفنية، وسلطت الضوء على تصميمات مثل CASSIOPeiA بقيادة المملكة المتحدة، وهو قمر صناعي يبلغ قطره 1.7 كيلومتر (ميل واحد) يهدف إلى توفير 2 جيجاوات من الطاقة. وفي يونيو من هذا العام، أعلنت الحكومة عن تمويل بقيمة 5.5 مليون دولار تقريبًا للجامعات وشركات التكنولوجيا “لدفع الابتكار إلى الأمام” في قطاع الطاقة الشمسية الفضائية.

ولدى أوروبا برنامج سولاريس الخاص بها، لتحديد الجدوى الفنية والسياسية للطاقة الشمسية الفضائية، استعدادا لقرار محتمل في عام 2025 لإطلاق برنامج تطوير كامل.

قال غاريتسون: “من الواضح أنه قبل أن تبني شيئاً ما، فإن كل شيء هو مجرد تكهنات، ولكن هناك أسباب قوية للاعتقاد بأن هذا قد يكون ممكناً وقابلاً للتطبيق من الناحية الاقتصادية”.

بالعودة إلى كاليفورنيا، أمضى هاجيميري وفريقه الأشهر الستة الماضية في اختبار نموذجهم الأولي لاستخراج البيانات لإدخالها في الجيل التالي من التصميم.

تتمثل رؤية هاجيميري النهائية في سلسلة من الأشرعة خفيفة الوزن والمرنة، التي يمكن طيها وإطلاقها ونشرها في الفضاء، مع مليارات العناصر التي تعمل في تزامن مثالي لإرسال الطاقة حيثما تكون هناك حاجة إليها.

وقال إنه ينظر إلى مشروعهم على أنه “جزء من سلسلة طويلة من الأشخاص الذين يعتمدون على عمل بعضهم البعض ويساعدون بعضهم البعض”. وأضاف: “لذلك ربما نتخذ خطوة مهمة، لكنها ليست الخطوة الأخيرة”.

لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية لـ CNN، قم بإنشاء حساب على CNN.com