التطورات في تكنولوجيا الطاقة الشمسية تجعل الحلول القائمة على الفضاء ممكنة

منذ فترة طويلة، يجري بحث مكثف حول طرق التقاط واستخدام الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء. يعتقد العلماء وخبراء التكنولوجيا أن الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء قد تكون إضافة فعّالة إلى مجموعة مصادر الطاقة المستدامة المتاحة. 

وظيفيًا، سيحتوي النظام على ألواح جمع الطاقة وحصادها على مستويات مدارية، والتي ستعيد توجيه الطاقة الشمسية إلى نظيراتها المستقبلة الموضوعة على كوكب الأرض. وبما أنه يشمل الفضاء، وكوكب الأرض، ومسار النقل بين هذين النقطتين، يجب أن يتكون من حلول تقنية متطورة. 

من المثير للآمال أن التقدمات التي تم تحقيقها في تكنولوجيا الطاقة الشمسية على مستوى العالم تجعل إنتاج الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء أمرًا ممكنًا. ولكن قبل أن نتعمق فيها، دعونا نلقي نظرة سريعة على ما تعنيه حلول الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء وما هي مزاياها. 

الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء ومزاياها

وفقًا للبيانات التي قدمتها وزارة الطاقة الأمريكية، نتلقى كل ساعة على الأرض طاقة شمسية أكثر مما يمكننا استخدامه في سنة كاملة. تقريبًا 30٪ من هذه الطاقة تعود غير مستغلة إلى الفضاء عبر الغلاف الجوي. يمكن التقاط هذه الطاقة واستخدامها بكفاءة إذا وضعنا آليات قوية للطاقة الشمسية القائمة على الفضاء. 

في هذا النظام، يمكن للألواح الشمسية القائمة على الأقمار الصناعية التقاط وإرسال طاقة أكثر مما تلتقطه الألواح الشمسية الموضوعة على سطح الأرض. إنها تعمل بشكل أفضل بسبب المزايا التي تتمتع بها بوجودها في الفضاء. وفقًا لوصف DEA، هذه: 

“الأقمار الصناعية المجهزة بألواح شمسية وتقوم بنقل الطاقة تجمع إشعاعًا شمسيًا عالي الكثافة وغير منقطع.” 

الإمداد غير منقطع لأنّه في الفضاء لا توجد سحب ولا ليل. 

تشمل التقنية نشر مرايا ضخمة تعكس كميات هائلة من أشعة الشمس إلى مجمعات شمسية أصغر بحيث يمكن توجيهها لاسلكيًا إلى الأرض بطريقة آمنة ومتحكم فيها إما كحزمة ميكروويف أو ليزر. 

نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تقنية متطورة، فإنها تجذب حلولًا مبتكرة من جميع أنحاء العالم. قامت وكالة ناسا الآن نشر تقريرًا حول الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء لتزويد نفسها “بالمعلومات التي تحتاجها لتحديد كيف يمكنها دعم تطوير هذا المجال البحثي”.

يحاول التقرير تقييم المعايير التي ستلعب دورًا حاسمًا في جعل الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء خيارًا تنافسيًا، حيث يكون الهدف النهائي هو تحقيق صافي انبعاثات غازات الدفيئة صفر. 

بعض الاختناقات التقنية التي حددتها وكالة ناسا للباحثين والتقنيين النشطين في هذا المجال للعمل عليها هي كما يلي: 

• يجب أن يجدوا طرقًا لتجميع وصيانة الأنظمة الكبيرة في المدار.
• ستكون هناك حاجة إلى بحوث لجعل هذه الأنظمة تعمل بشكل ذاتي وتوفر نقل طاقة فعال لإيصال الطاقة المحصودة إلى الأرض. 
• كما يشير تقرير ناسا إلى أنه قبل إدخال أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء إلى الاستخدام، من المهم معالجة تكاليف الإطلاق والبناء. وذلك لأن إرسال كل تلك المواد إلى الفضاء سيتطلب العديد من المهمات المستمرة لنقل البنية التحتية إلى المدار.

يعتقد تقرير ناسا أن أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء قد تصبح منتجة بالكامل وعاملة بحلول عام 2050. من خلال التقرير، ظهرت بعض الإنجازات المهمة التي تم تحقيقها في هذا المجال. على سبيل المثال، ذكرنا العلماء في وكالة الفضاء اليابانية (JAXA) الذين أثبتوا أنه من الممكن نقل الطاقة لاسلكيًا بدقة كميغاهرتز عبر مسافة ملحوظة لتحويلها في النهاية إلى كهرباء قابلة للاستخدام. 

مستفيدين من جوهر هذا الإنجاز، قام علماء معهد كاليتك في مارس 2023 بابتكار جهاز عرض الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) كأول مركبة فضائية تنقل الطاقة الشمسية التي تم جمعها في الفضاء إلى الأرض لاسلكيًا.

قدمت وكالة ناسا أيضًا بعض التقديرات حول الجدوى الاقتصادية للطاقة الشمسية القائمة على الفضاء. وقد تحدى بعض الخبراء المرتبطين عن كثب بهذا المجال تلك التقديرات أيضًا. ومع ذلك، لم يكن هناك إنكار تقريبًا للفوائد التي يعد هذا النظام بتوليد الطاقة بتقديمها. يمكن أن يساعد في الإغاثة في حالات الكوارث، وتزويد المستشعرات النائية بالطاقة، وإزالة الاختناقات الحالية في نظام إنتاج الطاقة التقليدي وسلسلة إمداده.

نظراً لفوائده، بدأت حكومات جميع الدول المتقدمة بالاستثمار فيه. كما أن الكيانات التجارية الكبيرة التي لديها الموارد للاستثمار، مثل إيرباص ونورثروب جرمان، تعمل عليه بلا كلل.

سنستعرض الآن بعض إنجازاتهم في هذا المجال. ومع ذلك، يجب أن نضع في الاعتبار أنه مجال متطور ولا يزال العديد من الجهود في مرحلة النمذجة الأولية.

#1. نقل الطاقة من إيرباص

إحدى الشركات الكبرى التي تعمل على تطوير تكنولوجيا الطاقة الشمسية لجعل الحلول القائمة على الفضاء ممكنة هي Airbus. تقنية نقل الطاقة لديها، التي طورتها أقسام البحث المركزي والتقنية وبلوب سكاي في الشركة، قدمت عروضًا موثوقة حول كيف يمكن أن تكون هذه التقنية نقطة تحول في مشهد تكنولوجيا الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء. 

وفقًا لجان-دومينيك كوست، المسؤول عن تطوير نقل الطاقة جنبًا إلى جنب مع يوان ثيوكس وزملائهما: 

“إمكانات التقنية هي التقاط ضوء الشمس ثم إرساله لاسلكيًا.” 

يعتقد هؤلاء العلماء أن هذا الحل الطاقي يمكن أن يزود المدن والمصانع والمنازل والطائرات بالكهرباء بشكل كافٍ.

قام مطورو تقنية إيرباص أولاً بعرض نقل الطاقة في مصنع الابتكار X-Works الخاص بالشركة في 27 سبتمبر 2022. على الرغم من أنه تم على نطاق أصغر، إلا أن العرض كان كافيًا لتوضيح ما يلزم لجعل نقل الطاقة يعمل. 

استخدم كوست وثيوكس وزملاؤهم نقلًا بالميكروويف لنقل الطاقة الخضراء بين نقطتين تمثلان ‘الفضاء’ و’الأرض’. كان المسافة بين هاتين النقطتين 36 مترًا. كما أنتج العرض هيدروجينًا أخضر لتشغيل نموذج مدينة. 

بعد انتهاء العرض، قال يوان ثيوكس: 

“الآن بعد أن نجحنا في اختبار العناصر الأساسية لنظام الطاقة الشمسية القائم على الفضاء على نطاق صغير للمرة الأولى، نحن الآن مستعدون للانتقال بنقل الطاقة إلى المستوى التالي.”

تتوقع إيرباص أن تصبح هذه التقنية حقيقة قريبًا. وتعتقد أن أول نماذج نقل الطاقة التشغيلية ستكون متاحة للاستخدام بحلول أوائل الثلاثينيات. 

في الشكل التطبيقي النهائي، سيتضمن التقنية وضع لوحة شمسية في المدار الجغرافي الثابت، على ارتفاع حوالي 36,000 كيلومتر فوق الأرض. ستُقارن هذه اللوحة الشمسية بلوحة شمسية ذات حجم مماثل على الأرض. 

ستُرسل الطاقة المجمعة في الفضاء إلى الأرض عبر منطقة تحتوي على العديد من الهوائيات المنتشرة فيها. ستستقبل هذه الهوائيات الأشعة لتُعيد تجميع الطاقة لإنتاج الكهرباء. 

بمجرد أن يصل هذا النظام إلى نطاق معين، سيكلف إنتاج الطاقة به نفس تكلفة المشاريع الكبيرة للطاقة على الأرض التي تعتمد على الطاقة النووية أو النفط أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى. وفقًا للتقديرات، يمكن لمزرعة شمسية جغرافية ثابتة أن تولد ما يصل إلى اثنين من الجيجاواط من الكهرباء. 

في 15 فبراير 2024، نشر إيرباص نتائجها السنوية لعام 2023، حيث أبلغت عن إيرادات سنوية قدرها 65.4 مليار، مع ربح تشغيلي (EBIT) معدل قدره 5.8 مليار يورو. 

#2. Northrop Grumman

كيان عالمي رئيسي آخر أكمل الاختبارات اللازمة التي تؤكد قدراته في تقنية الطاقة الشمسية الفضائية هو Northrop Grumman (NOC ) . نجحت الشركة في عرض قدرتها على توجيه طاقة التردد اللاسلكي نحو هوائيات مختلفة عن طريق توجيه الشعاع. وهي واثقة من أن بإمكانها تقديم نموذج أولي بحلول عام 2025. 

سيظهر هذا النموذج الأولي قدرة الشركة على توجيه طاقة التردد اللاسلكي إلى الكوكب. تم تطوير التقنية من قبل Northrop Grumman’s برنامج عروض وأبحاث الطاقة الشمسية الفضائية المتزايدة (SSPIDR). 

وفقًا لتارا ثيريت، مديرة برنامج SSPIDR: 

“الآن، الأمر يقتصر على بناء واختبار وتكامل باقي الأجهزة ضمن جدول زمني صعب.”

يتضمن العمل المتبقي في هذه العملية تصغير المكونات الإلكترونية وتوسيع عدد ‘قوالب الساندويتش’. قوالب الساندويتش هي مجرد ألواح خلايا فوتوفولطية تجمع الطاقة الشمسية وتنقلها إلى الطبقة التالية، التي تحتوي على مكونات تمكّن تحويل الطاقة الشمسية إلى تردد لاسلكي وتساعد في تشكيل الأشعة.

تقوم الشركة أيضًا بتصنيع الأجهزة الطيرانية اللازمة لتجميع النظام وإطلاقه على منصة ESPAStar الخاصة بالشركة. منصة ESPAStar هي حافلة أقمار صناعية تمكّن الحمولة من الحصول على الدفع والطاقة والتحكم في الاتجاه والاتصالات اللازمة.

في تأكيد للعمل الذي تقوم به، شجعت مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية جهود شركة نورثروب جرمان بعقد بقيمة 100 مليون دولار في عام 2018، لتطوير حمولة تُظهر المكونات الرئيسية لنظام الطاقة الشمسية الفضائية النموذجي.

سعى مسؤولو القوات الجوية إلى تسريع جهود التطوير المطلوبة لبناء نظام فضائي أولي يمكنه تزويد القواعد العسكرية الأمريكية بالطاقة الشمسية.

بشكل عام، عند الإشارة إلى الإمكانات التي تحملها الحلول القائمة على الفضاء في تكنولوجيا الطاقة الشمسية للمستقبل، قالت تارا ثيريت: 

“نقل الطاقة الشمسية الفضائية لديه القدرة على توفير الطاقة في أي مكان على الأرض في أي وقت. يمكن لهذه التقنية جعل الطاقة متاحة للمواقع النائية التي تحتاج إلى معدات طبية واتصالات.”

Northrop Grumman سجل إجمالي المبيعات بقيمة 36.6 مليار دولار في السنة المنتهية في 31 ديسمبر 2022. بلغت إيرادات قطاع الأنظمة الفضائية حوالي 12.3 مليار دولار، بزيادة ملحوظة عن 10.6 مليار دولار في العام السابق. من إجمالي إيرادات 12.3 مليار دولار في 2022، جاء 94٪ من الحكومة الأمريكية، بينما جاء باقي الـ3٪، 2٪، و1٪ من المبيعات الدولية، ومبيعات العملاء الآخرين، ومبيعات داخل الأقسام على التوالي. 

#3. CESI

تتمتع شركة سيزي، التي تتخذ من ميلانو، إيطاليا مقراً لها، بثلاثة عقود من الخبرة في إجراء الأبحاث وتطوير وإنتاج خلايا شمسية ذات كفاءة عالية لتطبيقات الفضاء. والأهم من ذلك، أنها واحدة من أكثر الموردين العالميين طلبًا لخلايا متعددة الوصلات التي تستخدم الغاليوم أرسينيد والاندوم غاليوم فوسفات. 

تمتلك سيزي مجموعة من خلايا الفضاء الثلاثية الوصلات. هذه الخلايا، إلى جانب الغاليوم أرسينيد والاندوم غاليوم فوسفات، تشمل أيضًا الجرمانيوم. تُثبت هذه الخلايا فعاليتها لأقمار صناعية في مدار الأرض المنخفض ومدار الجغرافي الثابت. هذه المنتجات متوافقة أيضًا مع معايير ECSS E ST20-08C المطلوبة. تتجه سيزي الآن لإطلاق خلايا رباعية الوصلات التي ستحقق مستويات كفاءة أعلى من خلايا الثلاثية الوصلات.

في المستقبل، تهدف سيزي إلى تقديم مجموعة واسعة من منتجات خلايا الطاقة الشمسية الفضائية التي تلبي أي متطلبات لبرنامج فضائي. حتى الآن، أسفرت جهود سيزي عن أكثر من 200,000 خلية شمسية، تزود أكثر من 70 قمرًا صناعيًا مدنيًا لعملاء في 25 دولة.

تمتلك سيزي تقنيتها الخاصة لتصنيع الخلايا الشمسية في ميلانو. على مر السنين، بنت شبكة وثيقة وعميقة مع العديد من وكالات الفضاء الدولية والجهات الفاعلة.

مثل نورثروب جرمان، تعمل سيزي أيضًا مع الحكومة الوطنية الإيطالية وقد تلقت تمويلًا من وكالة الفضاء الوطنية الإيطالية (ASI) ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA). وقد صُنعت خلايا شمسية متقدمة لتلبية احتياجات برنامج الفضاء الأوروبي وتلك الخاصة بالعديد من المهمات بين الكواكب.

وفقًا لأحدث الإفصاح المالي المتاح الإفصاح المالي، حققت الشركة إيرادات تزيد عن 87 مليون كرونة تشيكية في السنة المالية المنتهية في 31 ديسمبر 2022. 

التطورات في تكنولوجيا الطاقة الشمسية الفضائية: الطريق إلى الأمام

وجدت تكنولوجيا الطاقة الشمسية الفضائية مكانها من خلال إثبات قيمتها للمجتمع العالمي، مما دفع حكومات الدول الوطنية حول العالم إلى بدء الاستثمار فيها بحماس كبير. في الولايات المتحدة، تجسد ذلك في إجراء تجربة في عام 2020 من قبل مختبر البحوث البحرية لالتقاط ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة كهربائية مباشرة. استخدموا طائرة الفضاء X-37B التابعة للقوات الجوية لهذا الغرض.

في الوقت نفسه، تكتسب الجهود الدولية زخماً أيضًا. حددت السلطات الصينية أهدافًا طموحة بخطة 2028 للعرض التجريبي القائم على الفضاء بقيادة أكاديمية الصين لتقنية الفضاء. في أوروبا، يبرز برنامج سولاريس كبرنامج بحثي مدعوم جيدًا لمدة ثلاث سنوات، وقد حصل على الضوء الأخضر من وكالة الفضاء الأوروبية. كما أن المملكة المتحدة تشارك في السباق، حيث تقدم منحًا لدراسات حول استغلال الطاقة الشمسية في الفضاء.

من الواضح أن الشركات المبتكرة، والمنظمات العالمية الكبيرة ذات الموارد، والحكومات في جميع أنحاء العالم تعمل معًا لالتقاط واستغلال الطاقة التي يقدمها الفضاء لنا. مع هذه الطاقة الشمسية غير المنقطعة وغير المستغلة التي تنتظر أن تُستغل وتُستغل لصالح الكوكب، يبدو المستقبل واعدًا بالفعل.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشر أسهم للطاقة الشمسية.