هل حان الوقت لوضع مفتاح باهت على الدفع نحو الطاقة الشمسية الفضائية؟

لقد تمت دراسة فكرة إرسال الطاقة إلى الأرض المتعطشة للطاقة من الفضاء منذ فترة طويلة. تم اقتراحه لأول مرة منذ أكثر من 80 عامًا في الخيال العلمي.

كتب المؤلف الشهير إسحاق أسيموف في قصته التي صدرت في أبريل 1941 بعنوان “السبب” والتي ظهرت في مجلة “الخيال العلمي المذهل”: “كان الجو هادئًا في غرفة الضابط في المحطة الشمسية رقم 5 – باستثناء الخرخرة الناعمة لمخرج الشعاع العظيم في مكان ما بالأسفل”. “.

جعل أسيموف شخصياته تعتني بمحطة تجميع الطاقة الشمسية في الفضاء والتي توجه أشعة الطاقة إلى أجهزة الاستقبال أرض، إلى جانب المريخ. وبالتقدم سريعًا إلى القرن الحادي والعشرين، يبدو أن الأبحاث هنا على الأرض والآن في الفضاء تدعم هذا المفهوم. ما زال، فضاء وينظر البعض إلى استخدام الطاقة الشمسية على أنها تقنية بعيدة كل البعد عن الشعاع، وهو مفهوم مشكوك فيه اقتصاديًا ويشكل خيالًا علميًا جيدًا. تواصل موقع Space.com مع العديد من خبراء التكنولوجيا ليسألوا ما هو الجديد، وما هو القديم وما الذي لا يزال مفقودًا فيما يتعلق بنقل الطاقة إلى الأرض من الفضاء.

متعلق ب: العلماء يرسلون الطاقة الشمسية إلى الأرض من الفضاء لأول مرة على الإطلاق

الثلاثي من التقنيات

ينظر البعض إلى مشروع الطاقة الشمسية الفضائية التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (SSPP) على أنه بصيص أمل لهذه التكنولوجيا.

لقد مر أكثر من عام منذ إطلاق تقنية العرض التوضيحي SSPP في صندوق اختبار مدار الأرض. بمجرد وصولها إلى المدار، جربت المركبة الفضائية SSPD-1 ثلاثة من الابتكارات التكنولوجية المصممة للمساعدة في تقريب إبرة الطاقة الشمسية الفضائية من الواقع الكامل. كانت:

• بلطف: تجربة مركبة خفيفة للغاية قابلة للنشر على المدار لعرض مخطط تعبئة ونشر جديد.

• ألبا: 32 نوعًا مختلفًا من الخلايا الكهروضوئية لتقييم مدى قدرتها على تحمل بيئة الفضاء القاسية.

• خشب القيقب: مصفوفة ميكروويف لتجربة مدار منخفض لنقل الطاقة تعتمد على دوائر متكاملة مخصصة مع تحكم دقيق في التوقيت لتركيز الطاقة بشكل انتقائي على جهازي استقبال مختلفين لإظهار نقل الطاقة اللاسلكية عن بعد في الفضاء.

تأخذ به الى أقصى حد

وقال علي هاجيميري، المدير المشارك لمشروع الطاقة الشمسية الفضائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “لقد نجحت أشياء كثيرة، والأشياء التي عملت بشكل جيد دفعناها حتى توقفت عن العمل”.

وقد ركز هاجيميري على الدوائر المتكاملة وتطبيقاتها في مختلف التخصصات، مثل التكنولوجيا الحيوية والاتصالات والاستشعار، والتي تغطي نطاقًا واسعًا من الترددات بدءًا من الترددات العالية السرعة والترددات الراديوية وحتى الدوائر عالية الدقة منخفضة التردد.

نعم، أشار هاجيميري إلى وجود عقبات خلال مهمة SSPD-1 التي استغرقت تسعة أشهر. “لقد واجهنا عقبة حقيقية في النشر، لكن الفريق نجح في حلها. وحتى في نقل الطاقة لاسلكيًا، واجهنا جميع أنواع المواقف. ثم قمنا بالفعل بالضغط على النظام قرب نهاية المهمة – إلى النقطة التي حاولنا فيها التسبب في الضرر بشكل فعال “.

تحقيق السطح

في 22 مايو 2023، ضربت مكافأة SSPD-1 سقف مختبر جوردون وبيتي مور للهندسة التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. لمدة 90 ثانية فقط، قامت أجهزة MAPLE الخاصة بالمركبة الفضائية بإرسال الطاقة إلى الأرض والتي تم حصادها في الفضاء.

يسارع هاجيميري إلى توضيح أن مستوى الطاقة المتلقاة على مستوى السطح كان صغيرًا جدًا. وقال إن الأمر كان في الغالب يتعلق بالكشف، لكن الضجة الحقيقية هي النظر في الكمية المتواضعة من الطاقة التي يتم تلقيها خطوة واحدة صغيرة للطاقة الشمسية الفضائية.

سيتم إخراج SSPD-1 من الخدمة قريبًا وتركه ليقوم بالغطس المدمر فيه الغلاف الجوي للأرض.

ويتحول اهتمام المشروع الآن إلى حل مشكلات مثل التوسع، وتمكين النشر المستقل، وتطوير المزيد من الهياكل خفيفة الوزن.

مجهولة مجهولة

وقال هاجيميري: “هناك الكثير من الأمور المجهولة التي لا تزال بحاجة إلى اكتشافها”. في هذه المرحلة من العمل، يبحث الفريق في عمليات التصنيع لمصفوفات منخفضة التكلفة شبيهة بالقماش. كما أن مزامنة التوقيت تشكل تحديًا كبيرًا خاصة على البنية المرنة والمرنة التي تتجول في الفضاء.

وأضاف هاجيميري: “لقد طورنا طرقًا جديدة للتفكير في هذه المشكلة، وهي طرق يمكن للمصفوفة من خلالها تحديد شكلها وإجراء تصحيحات لذلك من خلال إلكترونياتها”.

وقال هاجيميري إنه حتى مع حالة “الوداع الطويل” لـSSPD-1، تم تحقيق عدد كبير من الإنجازات التي لا تقدر بثمن. “التحدي الأكبر هو رفع مستوى الوعي وتوضيح أن ما فعلناه حقيقي.”

حل قابل للتطوير

لا توجد تكنولوجيا طاقة نظيفة وثابتة وقابلة للتوزيع بخلاف الطاقة الشمسية الفضائية (SBSP) هي وجهة نظر شركة Virtus Solis Technologies Inc ومقرها تروي بولاية ميشيغان.

جون باكنيل هو الرئيس التنفيذي ومؤسس المجموعة. “أولئك الذين قارنوا بين جميع تقنيات الطاقة القابلة للتطبيق يعرفون أن الحل القابل للتطوير يجب أن يكون منخفض التعقيد، وكثافة معدنية منخفضة، وقابلاً للتصنيع بكميات كبيرة، وقادرًا على توفير طاقة إلكترونية ثابتة وآمنة ومنخفضة التكلفة مثل الوقود الأحفوري في الماضي. 200 سنة”، على حد تعبيره.

يقوم باكنيل وزملاؤه بتصميم نظام SBSP يلبي جميع هذه المعايير، وهو عبارة عن كوكبة مكونة من 16 مصفوفة في الفضاء، كل منها يضخ 20 جيجاوات من الطاقة. وقال إنه يمكن توصيل 320 جيجاوات بشكل جماعي إلى أي مكان على هذا الكوكب، وهو نظام قابل للتطوير ليصبح أكبر بكثير.

وقال باكنيل: “مع نمو القدرة بنسبة 50% على أساس سنوي، يمكن لـ SBSP توليد 100 تيراواط خلال 30 عامًا وتلبية احتياجات كوكب يبلغ عدد سكانه 10 مليارات نسمة”.

قطع الاتصال

يعتقد باكنيل: “لا يزال هناك انفصال بين الدراسات الأكاديمية ودراسات تكلفة التصنيع الأولية في مجال الطيران وما يمكن أن تحققه الصناعة الخاصة”. “ونتيجة لذلك، فإن توقعاتنا بمبلغ 200 مليون دولار لاستكمال البحث والتطوير والحصول على محطة تجريبية عاملة في المدار تبدو غير معقولة.”

بالنسبة لأموال باكنيل، والمستثمرين أيضًا، فإن صناعة الطاقة هي التي تحتاج إلى سماع وفهم هذه الخيارات، كما اقترح، وليس صناعة الفضاء.

“لا يزال SBSP يبدو وكأنه خيال علمي لأنهم لا يعرفون أن التقنيات الأساسية قد نضجت وتحتاج فقط إلى إطلاق تجاري إلى الفضاء لتحقيق ذلك. قال باكنيل: “كان Virtus Solis أول من استوعب هذه الفرصة، وتم تصميمه من يصل إلى مستوى التكلفة المستهدفة لمعالجة سوق الطاقة العالمية.”

وأشار باكنيل إلى أن المستثمرين يريدون أن يروا أنه لا يوجد أي خطر على الإيرادات. “إن العرض المداري يعني أن لديك منتجًا حقيقيًا، وبالتالي فإن المخاطر المتبقية حول التجميع ونقل الطاقة في المدار قد تم إثباتها ومن ثم يمكن للمنتج التوسع.”

غرفة الوقوف فقط

أحد رواد الدعوة إلى تسخير الطاقة الشمسية من الفضاء هو جون مانكينز من شركة Artemis Innovation Management Solutions في سانتا ماريا، كاليفورنيا.

شارك مانكينز في المؤتمر الدولي الذي انعقد في أبريل حول الطاقة الشمسية من الفضاء والذي استضافته مؤسسة وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ووكالة الفضاء البريطانية في الجمعية الملكية للطيران في لندن.

يتذكر مانكينز قائلاً: “كانت الغرفة مخصصة للوقوف فقط”. “لم يكن أي من الأشخاص المائتين تقريبًا لاعبين عاديين، وكان ذلك تغييرًا كبيرًا”، سواء كان ذلك باحثين من الصين يعملون في تكنولوجيا محطات الطاقة الفضائية إلى مبادرة سولاريس الأوروبية. وقال إن هناك عملاً مستمراً في المملكة المتحدة، فضلاً عن النظرات التقدمية في مجال الطاقة في اليابان ودول أخرى.

استعداد قابلة لإعادة الاستخدام

وقال مانكينز إن أسس شعاع الطاقة تم وضعها مراراً وتكراراً من خلال التجارب على الأرض. وقال: “بالنسبة لي، تم عرض شعاع الطاقة كوظيفة منذ عقود مضت، والمشكلة الحقيقية الآن هي كيفية إنشاء أنظمة كبيرة حقًا”.

بالنسبة لأي نوع من المشاريع الضخمة في الفضاء، “يبدو أن العقبة الأكثر وضوحًا أمام الطاقة الشمسية الفضائية جاهزة للسقوط”، كما نصح مانكينز، وهي قاذفات منخفضة التكلفة وقابلة لإعادة الاستخدام.

وقد تم قيادة الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام بواسطة سبيس اكس ومعززاتها من فئة فالكون والآن ضخمة المركبة الفضائية برنامج الطيران. بصورة مماثلة، الأصل الأزرقتقترب قاذفة New Glenn التابعة لـ New Glenn من رحلتها الأولى. وتسعى دول أخرى أيضًا إلى تحقيق الاستعداد القابل لإعادة الاستخدام في مجال التعزيز، مثل وكالة الفضاء الأوروبية والصين.

رفع الطاقة

قصص ذات الصلة:

— يمكن لمركبة Starship التابعة لشركة SpaceX أن تساعد هذه الشركة الناشئة في إرسال الطاقة النظيفة من الفضاء. وإليك الطريقة (فيديو)

— الطاقة الشمسية الفضائية قد تكون على بعد خطوة واحدة من الواقع، بفضل هذا الاختبار الرئيسي (فيديو)

– سيقوم القمر الصناعي الياباني بإرسال الطاقة الشمسية إلى الأرض في عام 2025

ومع ذلك، هناك عمل يجب القيام به في السنوات المقبلة.

وفي إشارة إلى المستقبل، قال مانكينز إن العروض التوضيحية على مستوى الأنظمة يمكن أن تعالج مشكلات مثل العثور على التصميم المناسب، أو تحديد مدى إمكانية توسيع نطاق التقنيات وبأي سعر. ومن المهم أيضًا لمهندسي المركبات الفضائية أن ينظروا إلى ما يحدث بسرعة في مجال الروبوتات هنا على الأرض وتطبيقه على البناء في الفضاء.

علاوة على ذلك، فإن إرسال الطاقة من الفضاء يجب أن يتجاوز تجربة النانو واط لكل سنتيمتر مربع إلى ميكروواط لكل سنتيمتر مربع، كما نصح مانكينز.

“ولكن في غضون 2-3 سنوات، ستكون هناك قوة أكبر بألف مرة. ويتوقع مانكينز حدوث قدر لا يصدق من التقدم، ثم تخرج الأبقار من الحظيرة.”