الطاقة
تقدمات في تقنية الطاقة الشمسية تجعل الحلول المعتمدة على الفضاء ممكنة
منذ وقت طويل، يتم إجراء بحث مكثف على وسائل التقاط واستخدام الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء. يعتقد العلماء والخبراء التكنولوجيون أن الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء يمكن أن تكون إضافة فعالة إلى مجموعة مصادر الطاقة المستدامة المتاحة.
من الناحية الوظيفية، سيتم تثبيت لوحات جمع وتجميع الطاقة على مستويات مدارية، والتي سترسل طاقة شمسية إلى أجهزة الاستقبال الموضوعة على سطح الأرض. ونظرًا لأنها تتضمن الفضاء، فإنها يجب أن تتكون من حلول تكنولوجية متقدمة.
مما يعد بمشجع، فإن التقدم المحرز في تقنية الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم جعل إنتاج الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء أمرًا ممكنًا. ولكن قبل أن نغوص في التفاصيل، دعونا نلقي نظرة سريعة على ما تعنيه حلول الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء وما هي مميزاتها.
الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء ومميزاتها
وفقًا للبيانات المقدمة من وزارة الطاقة الأمريكية، نستقبل كل ساعة على الأرض أكثر طاقة شمسية مما نستطيع استخدامه في عام. يعود حوالي 30٪ من هذه الطاقة غير مستخدمة إلى الفضاء من خلال الغلاف الجوي. يمكن التقاط هذه الطاقة واستخدامها بفعالية إذا قمنا بتطوير آليات قوية للطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء.
في هذا النظام، يمكن لألواح الطاقة الشمسية المثبتة على الأقمار الصناعية التقاط وتحويل المزيد من الطاقة مما يتم التقاطه بواسطة ألواح الطاقة الشمسية الموضوعة على سطح الأرض. تعمل بشكل أفضل بسبب المزايا التي تتمتع بها في الفضاء. وفقًا لوصف DEA، هذه:
“الأقمار الصناعية المزودة بلوحات طاقة شمسية ومتخصصة في بث الطاقة تجميع أشعة الشمس الشديدة غير المتقطعة.”
الطاقة غير متقطعة لأن هناك لا توجد سحب ولا ليل في الفضاء.
تتضمن التكنولوجيا نشر مرايا عملاقة تعكس كميات كبيرة من الأشعة الشمسية على مجتمعات شمسية صغيرة بحيث يمكن بثها لاسلكيًا إلى الأرض بطريقة آمنة ومراقبة كأشعة ميكروية أو ليزر.
نظرًا لأن هذه العملية تتضمن تكنولوجيا متقدمة، فإنها تجذب حلولاً مبتكرة من جميع أنحاء العالم. نشرت NASA الآن تقريرًا عن الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء لتزويد نفسها بالمعلومات التي تحتاجها لتحديد كيف يمكن دعم تطوير هذا مجال البحث.
يحاول التقرير تقييم المعايير التي ستلعب دورًا حاسمًا في جعل الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء خيارًا تنافسيًا، حيث يكون الوجهة النهائية هي تحقيق صافي انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
من بين العوائق التكنولوجية التي حددتها NASA للباحثين والتقنيين النشطين في هذا المجال للعمل عليها ما يلي:
- يجب أن يجدوا وسائل لتجميع الأنظمة الكبيرة وتشغيلها في المدار.
- سيتم إجراء بحث لجعل هذه الأنظمة تعمل بشكل مستقل وتنقل الطاقة بفعالية لنقل الطاقة المحصودة إلى الأرض.
- يشير تقرير NASA أيضًا إلى أنه قبل وضع أنظمة الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء في الاستخدام، من المهم معالجة تكاليف إطلاقها وبنائها. هذا لأن إرسال كل هذه المواد إلى الفضاء سيتطلب العديد من البعثات المستمرة لنقل البنية التحتية إلى المدار.
ي相信 تقرير NASA أن أنظمة الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء قد تصبح منتجة وتعمل بالكامل بحلول عام 2050. من خلال التقرير، تم الكشف عن بعض الإنجازات الكبيرة التي تم تحقيقها في هذا المجال. على سبيل المثال، أ提 إلى أن علماء JAXA أثبتوا أنه من الممكن بث الطاقة لاسلكيًا بدقة كأشعة ميكروية عبر مسافة ملحوظة لتحويلها في النهاية إلى كهرباء يمكن استخدامها.
متابعة لجوهر هذا الإنجاز، قام علماء Caltech في مارس 2023 بصنع مُظهر الطاقة الشمسية في الفضاء (SSPD-1) كأول مركبة فضائية تبث طاقة شمسية محصودة في الفضاء إلى الأرض.
قدمت NASA أيضًا بعض التقديرات حول الجدوى الاقتصادية للطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء. وقد تحدى بعض الخبراء المتصلين بهذا المجال منذ فترة طويلة هذه التقديرات. ومع ذلك، لم يكن هناك انكار للفوائد التي وعدت هذه أنظمة توليد الطاقة بتوفيرها. يمكن أن تساعد في إغاثة الكوارث، وتزويد أجهزة الاستشعار عن بُعد، وإزالة العوائق الحالية لنظام إنتاجنا التقليدي للطاقة وسلسلة التوريد.
نظرًا لمنافعها، بدأت الحكومات الوطنية لجميع البلدان المتقدمة في الاستثمار فيها. كما تعمل الكيانات التجارية الكبيرة التي لديها الموارد للاستثمار، مثل Airbus وNorthrop Grumman، بلا كلل.
سوف ننظر الآن في بعض إنجازاتهم في الأقسام القادمة. ومع ذلك، يجب أن نتذكر أن هذا مجال متطور و许多 من الجهود لا تزال في مرحلة النمذجة.
#1. Airbus Power Beaming
من بين الشركات الكبيرة التي تعمل على تعزيز تقنية الطاقة الشمسية لجعل الحلول المعتمدة على الفضاء ممكنة هي Airbus. تكنولوجيا Power Beaming التي طورتها شركة Central Research & Technology و Blue Sky Departments قد قدمت أدلة مقنعة حول كيف يمكن أن تكون لعبة غيّر في مشهد تقنية الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء.
وفقًا لجين دومينيك كوستي، الذي يتحمل مسؤولية تطوير Power Beaming مع يوان ثيوكس وزملائهم:
“ال潜عة لهذه التكنولوجيا هي التقاط ضوء الشمس ثم بثه لاسلكيًا.”
يؤمن هؤلاء العلماء بأن هذه حلول الطاقة يمكن أن تكون قادرة على توفير الطاقة بشكل كافٍ لمواصلة تشغيل المدن والمصانع والمنازل والطائرات بالكهرباء.
أقامت طواقم تطوير تكنولوجيا Airbus لأول مرة Power Beaming في مصنع X-Works Innovation Factory التابع للشركة في 27 سبتمبر 2022. على الرغم من أن التجربة أجريت على نطاق صغير، إلا أنها يمكن أن تفسر بما فيه الكفاية ما يتطلبه جعل بث الطاقة يعمل.
استخدم كوستي وثيوكس وزملاؤهم بث الميكروويف لنقل الطاقة الخضراء بين نقطتين تمثلان “الفضاء” و “الأرض”. كانت المسافة بين هذه النقطتين 36 مترًا. كما أنتجت التجربة أيضًا هيدروجين أخضر لتشغيل مدينة نموذجية.
بعد انتهاء التجربة، قال يوان ثيوكس:
“الآن بعد أن نجحنا في اختبار الحجارة الأساسية لنظام طاقة شمسية فضائية مستقبلية على نطاق صغير لأول مرة، نحن مستعدون الآن لraises Power Beaming إلى المستوى التالي.”
تتوقع Airbus أن تصبح هذه التكنولوجيا حقيقة قريبا. وهي تعتقد أن أول نماذج تشغيلية ل Power Beaming ستصبح متاحة للاستخدام في أوائل الثلاثينيات.
في شكلها النهائي المطبق، ستكون التكنولوجيا عبارة عن لوحة شمسية موضوعة على مدار جغرافي متزامن، على ارتفاع 36,000 كم فوق الأرض. ستكون هذه اللوحة الشمسية متوافقة مع لوحة شمسية من نفس الحجم على الأرض.
ستتم بث الطاقة المحصودة في الفضاء إلى منطقة ستحتوي على العديد من الهوائيات المنتشرة من خلالها. ستلتقط هذه الهوائيات الأشعة لتحويل الطاقة وإعادة تجميعها لإنتاج الكهرباء.
عندما تصل هذه الأنظمة إلى حجم معين، ستكلف إنتاج الطاقة بها نفس تكلفة المشاريع الكبيرة للطاقة على الأرض التي تعتمد على الطاقة النووية أو النفط أو مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.وفقًا للتقديرات، ستنتج مزرعة شمسية جغرافية واحدة ما يعادل 2 غيغاواط من الكهرباء.
في 15 فبراير 2024، نشرت Airbus نتائجها السنوية الكاملة لعام 2023، مع إيرادات سنوية بلغت 65.4 مليار يورو، وربح تعديلي قبل الفوائد والضرائب يبلغ 5.8 مليار يورو.
#2. Northrop Grumman
من بين الكيانات العالمية الكبيرة التي أكملت الاختبارات اللازمة التي تثبت قدراتها التكنولوجية للطاقة الشمسية في الفضاء هي Northrop Grumman. نجحت الشركة في إثبات khảية بث طاقة التردد الراديوي نحو هوائيات متعددة من خلال توجيه الشعاع. وهي واثقة من إمكانية تقديم نموذجها الأولي بحلول عام 2025.
سيعرض هذا النموذج قدرة الشركة على بث طاقة التردد الراديوي إلى الكوكب. تم تطوير التكنولوجيا بواسطة Northrop Grumman’s مشروع SSPIDR.
وفقًا لتارا ثيريت، مدير برنامج SSPIDR:
“الآن، الأمر يتعلق ببناء اختبار وتكامل بقية الأجهزة في جدول زمني صعب.”
تتضمن الأعمال التي يجب القيام بها في هذه العملية تقليل حجم المكونات الإلكترونية وزيادة عدد “بلاط الساندويتش”. بلاط الساندويتش هو مجرد لوحات خلايا شمسية تجميع الطاقة الشمسية وتنتقل الطاقة إلى الطبقة التالية، والتي تحتوي على مكونات تمكن من تحويل الشمس إلى تردد راديوي ومساعدة في تشكيل الأشعة.
تنتج الشركة أيضًا الأجهزة الطائرة اللازمة لتجميع النظام وإطلاقه على منصة ESPAStar التابعة للشركة. منصة ESPAStar هي حافلة أقمار صناعية تزوّد الحمولات بالدفع والطاقة والتحكم في الميلان والاتصالات.
في تأكيد للعمل الذي تقوم به، شجعت مختبرات البحث التابعة للقوات الجوية الأمريكية جهود Northrop Grumman مع عقد بقيمة 100 مليون دولار في عام 2018، من أجل تطوير حمولة لتحديد مكونات رئيسية لنظام الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء.
استهدفت السلطات في القوات الجوية تحفيز الجهود التطويرية اللازمة لبناء نموذج نظام فضائي يمكن أن يزود قواعد الجيش الأمريكي بالطاقة الشمسية.
بشكل عام، في إشارة إلى الإمكانات التي تحملها الحلول المعتمدة على الفضاء في تقنية الطاقة الشمسية للمستقبل، قالت تارا ثيريت:
“بث الطاقة الشمسية في الفضاء له إمكانية توفير الطاقة في أي مكان على الأرض وفي أي وقت. يمكن أن تجعل هذه التكنولوجيا الطاقة متاحة للمواقع النائية التي تحتاج إلى معدات طبية و通信.”
(NOC )
سجّلت Northrop Grumman مبيعات إجمالية بقيمة 36.6 مليار دولار في السنة المنتهية في 31 ديسمبر 2022. كان إيراد نظام الفضاء 12.3 مليار دولار، بزيادة ملحوظة عن 10.6 مليار دولار في العام السابق. من إيرادات 2022 البالغة 12.3 مليار دولار، جاء 94٪ من الحكومة الأمريكية، في حين جاء 3٪ و 2٪ و 1٪ من المبيعات الدولية ومبيعات العملاء الآخرين ومبيعات القطاعات الأخرى على التوالي.
#3. CESI
تملك CESI، التي تتخذ من ميلانو، إيطاليا، مقراً لها، ثلاثة عقود من الخبرة في إجراء البحث وتطوير وإنتاج الخلايا الشمسية التي تتمتع بكفاءة عالية للتطبيقات الفضائية. وأهم من ذلك، أنها واحدة من أكبر موردي الخلايا المتعددة الوصلات التي تستخدم زرنيخ الغاليوم والفوسفيد الغاليوم الهندي.
تملك CESI مجموعة من الخلايا الفضائية الثلاثية الوصلات. تُظهر هذه الخلايا، بالإضافة إلى زرنيخ الغاليوم والفوسفيد الغاليوم الهندي، الجرمانيوم. تثبت هذه الخلايا فعاليتها لآلات الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض والمدار الجغرافي المتزامن. هذه المنتجات مطابقة للمعايير المطلوبة ECSS E ST20-08C. وتعمل CESI الآن على إطلاق خلايا رباعية الوصلات التي سيكون لها مستويات كفاءة أعلى من الخلايا الثلاثية الوصلات.
في المستقبل، تهدف CESI إلى تقديم مجموعة واسعة من منتجات الخلايا الشمسية الفضائية التي تلبى أي متطلبات برنامج فضائي. حتى الآن، أدت جهود CESI إلى أكثر من 200,000 خلية شمسية، وقوّضت أكثر من 70 قمرًا صناعيًا مدنيًا لعملاء منتشرون في 25 دولة.
تملك CESI تكنولوجيا خاصة لتصنيع الخلايا الشمسية في ميلانو. على مر السنين، بنت شبكة密ة وعميقة مع العديد من الوكالات الفضائية والجهات الفاعلة الدولية.
مثل Northrop Grumman، تعمل CESI أيضًا مع الحكومة الإيطالية الوطنية وتمتلك تمويلًا من الوكالة الإيطالية للفضاء (ASI) ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA). لقد أنتجت خلايا شمسية متقدمة لتلبية احتياجات برنامج الفضاء الأوروبي و许多 من المهمات بين الكواكب.
وفقًا لأحدث كشف مالي، حققت الشركة إيرادات超过 87 مليون كرونا تشيكية في السنة المالية المنتهية في 31 ديسمبر 2022.
التقدم في تقنية الطاقة الشمسية الفضائية: الطريق إلى الأمام
وجدت تقنية الطاقة الشمسية الفضائية مكانها من خلال إثبات قيمتها للمجتمع العالمي، مما أدى إلى بدء الحكومات الوطنية في جميع أنحاء العالم في الاستثمار فيها بحماس. في الولايات المتحدة، ترجم ذلك إلى عمل عندما أجرت مختبرات البحث البحرية تجربة في عام 2020 لالتقاط ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة كهربائية مباشرة. استخدمت طائرة الفضاء X-37B التابعة للقوات الجوية لهذا الغرض.
في غضون ذلك، تكتسب الجهود الدولية زخمًا. وضعت السلطات الصينية أهدافًا طموحة مع خطة عام 2028 لتحديد تجربة فضائية بقيادة أكاديمية التكنولوجيا الفضائية الصينية. في أوروبا، تبرز Solaris كبرنامج بحثي مدته ثلاث سنوات تمت الموافقة عليه من قبل وكالة الفضاء الأوروبية. والمملكة المتحدة أيضًا في السباق، حيث تقدم منحًا دراسية لدراسة استغلال الطاقة الشمسية في الفضاء.
بكل وضوح، تعمل الشركات المبتكرة والمنظمات العالمية الكبيرة والحكومات في جميع أنحاء العالم معًا لالتقاط واستغلال الطاقة التي يقدمها الفضاء لنا. مع هذه الطاقة الشمسية غير المتقطعة غير المستغلة التي تنتظر أن تستغل لصالح الكوكب، فإن المستقبل يبدو واعدًا حقًا.
