من الخيال العلمي إلى السماء العالية: هل الألواح الشمسية المدارة فكرة مشرقة؟

تخيل استغلال طاقة الشمس ليس فقط من الأرض بل من الفضاء نفسه. هذه هي جوهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSP). 

إنه مفهوم متقدم حيث يتم جمع الطاقة الشمسية في فضاء شاسع ثم تُرسل إلى الأرض. تتجاوز هذه الطريقة القيود الأرضية مثل حلول الليل وظروف الطقس، مما يضمن تدفقًا مستمرًا وغير معوق للطاقة الشمسية. 

على الرغم من أنه قد يبدو فكرة مستقبلية، فإن المبادئ الأساسية وراء الطاقة الشمسية الفضائية خالدة كالشمسة نفسها.

لتعريف الطاقة الشمسية الفضائية: هي مصدر للطاقة النظيفة حيث تُجمع الطاقة من ضوء الشمس في الفضاء وتُنقل لاسلكيًا إلى الأرض. 

الشمس، مع عمر تقديري يبلغ 4-5 مليار سنة، تقدم حلاً طاقة طويل الأمد حقًا. علاوة على ذلك، لا تُصدر الطاقة الشمسية الفضائية غازات الدفيئة ولا تعتمد على موارد المياه العذبة المتناقصة، أو الأراضي الزراعية القيمة، أو الأسمدة المستخرجة من الغاز الطبيعي. 

كما أنها لا تنتج نفايات خطرة، وعلى عكس حلول الطاقة الشمسية التقليدية، تظل غير متأثرة بغطاء السحب أو تغيرات ضوء النهار أو سرعة الرياح.

الفرص التي تقدمها الطاقة الشمسية الفضائية ألهمت العديد من المنظمات لبناء حلول حولها. بعض اللاعبين البارزين في سوق الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء تشمل Airbus، Azur Space Solar Power GmbH، Fralock LLC، الوكالة اليابانية لاستكشاف الفضاء، Northrop Grumman (NOC ) ، Borrego Energy, LLC.، Solaren Corporation، Space Tech GmbH، Space Canada، DHV Technology، والمزيد. 

ولكن قبل أن نتعمق أكثر في فهم كيفية عمل هذه الشركات وحلولها، دعونا نستعرض ما هي أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء ولماذا تُعتبر قابلة للتطبيق لإنتاج طاقة نظيفة ومتجددة. 

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم شمسية.

العلم وراء أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء

تشير الدراسات إلى أن كل ساعة، تتلقى الأرض طاقة شمسية أكثر مما يستهلكه البشر خلال سنة كاملة. ومن المثير للاهتمام، أن غلاف الأرض الجوي يعكس حوالي 30% من هذه الطاقة الشمسية إلى الفضاء. 

تستفيد أنظمة توليد الطاقة الشمسية الفضائية من وفرة الطاقة الشمسية التي تُفقد في الفضاء، غير مستغلة. فغياب التداخلات الجوية مثل السحب والتعرض المستمر لأشعة الشمس دون انقطاع الليل يجعل هذه الأنظمة القائمة على الأقمار الصناعية فعّالة للغاية. يمكنها التقاط وإرسال طاقة أكبر بكثير إلى الأرض مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية.

في هذه الأنظمة لالتقاط وإرسال الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء، تُجهّز الأقمار الصناعية بألواح وتملك قدرات نقل الطاقة. تستخدم مرايا كبيرة الحجم لتجميع كميات هائلة من أشعة الشمس على مجمعات شمسية أصغر. تُرسل هذه الإشعاعات الشمسية عالية الكثافة، غير المتقطعة، لاسلكيًا إلى الأرض بأمان وبطريقة مُتحكم فيها.

قابلية الطاقة الشمسية الفضائية: الابتكارات التقنية

أصبح نقل الطاقة الشمسية الفضائية قابلاً للتطبيق بفضل الابتكارات التقنية التي تحققت مؤخرًا. هناك نوعان من أنظمة النقل. 

الأول هو الأقمار الصناعية الشمسية التي تنقل الميكروويف، بينما الآخر هو الأقمار الصناعية الشمسية التي تنقل الليزر. في الأقمار الصناعية التي تنقل الميكروويف، ينعكس ضوء الشمس عن المرايا الكبيرة إلى مركز القمر الصناعي، حيث يتحول إلى طاقة ميكروويف مستمرة تُرسل إلى الأرض. 

بالانتقال إلى النوع الثاني، الأقمار الصناعية التي تنقل الليزر، كما يوحي اسمها، تستخدم الليزر بدلاً من أشعة الميكروويف. عادةً ما تعمل هذه الأقمار في مجموعات مع أقمار صناعية أصغر، نظرًا لصغر حجمها.

فيما يتعلق بالجدوى الاقتصادية لهذين الإعدادين، فإن الأقمار الشمسية الليزرية تتمتع بتكاليف بدء تشغيل منخفضة نسبيًا تتراوح بين 500 مليون دولار إلى 1 مليار دولار أمريكي. القطر الأصغر لحزمة الليزر يجعل تنفيذها على الأرض سهلًا ورخيصًا.

ومع ذلك، تخدم الأقمار الشمسية الميكروويفية الغرض عندما يتعلق الأمر بالتقاط وإرسال طاقة ثابتة وغير متقطعة عبر الأمطار والسحب وغيرها من الظروف الجوية. يمكنها توفير أكثر من 1 جيجاواط من الطاقة إلى المستقبل الأرضي، وهو ما يكفي لتزويد مدينة كبيرة بالطاقة.

أثناء مناقشة كل هذه التطورات، يجب ألا ننسى أن هذه الأعاجيب التقنية لم تتحقق في يوم واحد. فهي نتاج تقليد طويل من البحث العلمي والتقني. لفهم الإمكانات المستقبلية للطاقة الشمسية الفضائية، يجب وضعها في سياقها.

تطور مفهوم الطاقة الشمسية الفضائية: من البدايات إلى الحالة الحالية

السبعينات:

• بدأت مفاهيم الطاقة الشمسية الفضائية تُدرَس في الولايات المتحدة.

الثمانينات:

• بدأت آسيا بدراسة مفاهيم الطاقة الشمسية الفضائية.

أواخر التسعينيات – أوائل الألفينات:

• 1998: حددت دراسة تعريف مفهوم الطاقة الشمسية الفضائية مفاهيم قابلة للتصديق وقابلة للتطبيق تجاريًا ومخاطرها التقنية والبرمجية المرتبطة.

• 1998: قامت وكالة الفضاء اليابانية بتطوير نظام للطاقة الشمسية الفضائية، والذي لا يزال نشطًا.

• 1999: تم إطلاق برنامج أبحاث واستكشاف تكنولوجيا الطاقة الشمسية الفضائية التابع لناسا.

بداية 2010 إلى 2020

• 2010: بدأت منظمة البحث الفضائي الهندية (ISRO) الأسس للعمل على الطاقة الشمسية الفضائية.

• 2012: قامت الصين باقتراح تطوير مشترك للطاقة الشمسية الفضائية مع الهند.

• 2015: أنشأت معهد كالتيك وشركة نورثروب غرامان مبادرة الطاقة الشمسية الفضائية، مخصصة حوالي 17.5 مليون دولار أمريكي على مدى ثلاث سنوات لتطوير نظام طاقة شمسية قائم على الفضاء.

العقد 2020

• 2022: أعلنت المملكة المتحدة عن مبادرة الطاقة الفضائية، بهدف إطلاق أول محطة طاقة فضائية بحلول منتصف الأربعينات من القرن الحالي واستهداف 30٪ من طلبها على الكهرباء من هذا المصدر.

• 2022: أعلنت وكالة الفضاء الأوروبية عن برنامج سولاريس، مخططًا لتشغيل أقمار صناعية للطاقة الشمسية بدءًا من عام 2030.

• 2023: نجح نموذج تجريبي للطاقة الشمسية الفضائية من معهد كالتيك (SSPD-1) في إرسال طاقة قابلة للكشف إلى الأرض.

على مدار هذه السنوات، استكشفت حكومات وطنية مختلفة، وأقسام أبحاث جامعية، ومنظمات ممولة من الدولة البنية التحتية وإمكانات الطاقة الشمسية الفضائية.

كما جاءت مساهمات هامة من شركات مثل نورثروب غرامان، إيرباص، وشركة سولارين في تطوير هذا المصدر الطاقي التحولي.

في حين أن العديد من برامج الطاقة الشمسية الفضائية جاءت من حكومات وطنية، وأقسام أبحاث جامعية، ومنظمات مستقلة ممولة من الدولة، فقد لعبت الشركات مثل نورثروب غرامان، إيرباص، وشركة سولارين دورًا حاسمًا في استغلال هذا المصدر الطاقي التحولي. 

الشركات ذات المبادرات التحولية في مجال الطاقة الشمسية الفضائية

1. Northrop Grumman

يعمل فريق مشروع تجارب وبحوث الطاقة الشمسية الفضائية المتزايدة (SSPIDR) التابع لشركة نورثروب غرامان، التي تتخذ من بالتيمور، ماريلاند مقرًا لها، على جعل نقل الطاقة الشمسية من الفضاء إلى أي مكان على الأرض حقيقة واقعة. 

يهدف المشروع إلى الاستفادة من خلايا فوتوفولتائية عالية الكفاءة في المدار لجمع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة تردد راديو (RF) تُرسل إلى محطة استقبال على الأرض.

كانت الشركة رائدة في تطوير أنظمة مصفوفات شمسية جاهزة مناسبة للفضاء. تتميز تجميعاتها الفوتوفولتائية بأحدث التقنيات لللحام أو اللحام بالروبوت، ربط الخلايا الشمسية في دوائر تصل إلى ستة أقدام.

توفر خلاياها المتصلة المغطاة دمج الخلايا الشمسية وزجاج الغطاء لتجميعات CIC.

كما تصنع سلاسل الخلايا الشمسية، وتجميعات لوحة عزل الجناح المقاومة للبيئات الفضائية القاسية، وتتحمل نطاق درجات الحرارة الكامل (-185 إلى >300 درجة مئوية)، وتجميعات مقياس المقاومة البلاتيني، والمزيد.

ساعدت هذه الابتكارات مبادرات الطاقة الشمسية الفضائية على التقدم بسرعة وتحقيق إمكاناتها.

في عام 2022، Northrop Grumman سجلت مبيعات بقيمة 36.6 مليار دولار أمريكي وسجلت ربحًا معدلاً للمعاملات لكل سهم قدره 25.54 دولارًا أمريكيًا. صافي أرباح الشركة كان ما يقرب من 5 مليارات دولار أمريكي في السنة المالية 2022. 

2. Airbus

شركة أخرى تفوقت في هذا المجال كانت إيرباص. تهدف حلولها لإرسال الطاقة إلى مساعدة أوروبا في الوصول إلى مزيد من الطاقة المتجددة بشكل مستقل، مع شبكات طاقة جديدة في السماء توفر إمدادًا مستقلاً وإمداد طاقة مستدام على مدار الساعة. قد تكون نماذج أولى لتقنية إرسال الطاقة من إيرباص قيد الاستخدام بحلول أوائل الثلاثينات.

بالإضافة إلى ذلك، إيرباص هي أيضًا شركة تصنيع أوروبية رائدة لألواح الطاقة الشمسية، وتجميعات الفوتوفولتية، وتجميعات الخلايا الشمسية للمؤسسات والتطبيقات التجارية. لقد صُنعت وحدات تكييف وتوزيع الطاقة للأقمار الصناعية. كما تزود أنظمة الدفع الكهربائي ومجموعة من الإلكترونيات للدفع الكهربائي، بما في ذلك وحدات التحكم في الطاقة ومعالجة الطاقة المطلوبة في أنظمة الطاقة الشمسية الفضائية.

تعمل إيرباص أيضًا على بناء ألواح شمسية فوتوفولتائية متقدمة تكون أخف وزنًا وأكثر مرونة، وقادرة على التقاط المزيد من الطاقة على سطحها. برنامجها الرائد، Zephyr، هو قمر صناعي شبه عالي الارتفاع يعمل بالكامل بالطاقة الشمسية.

كل هذا يساهم بشكل كبير في تعزيز مسار الطاقة الشمسية الفضائية بوتيرة أسرع وكفاءة محسنة.

في السنة المالية 2022، Airbus سجلت إيرباص إيرادات بقيمة 58.8 مليار يورو، مع أرباح قبل الفوائد والضرائب والإهلاك المعدلة (EBIT) بقيمة 5.6 مليار يورو. كان التدفق النقدي الحر قبل الاندماجات والاستحواذات وتمويل العملاء 4.7 مليار يورو. اقترحت الشركة توزيع أرباح قدرها 1.80 يورو للسهم.

3. Solaren Corporation

مبتكر ناشئ في هذا المجال، Solaren Corporation، طور طرقًا لنقل الكهرباء ذات التكلفة التنافسية وخالية من الانبعاثات من الفضاء.

على مدى السنوات العشر القادمة، ستقوم سولارين بتطوير وإطلاق وتشغيل أول محطة طاقة شمسية فضائية وبيع الكهرباء. كما حصلت سولارين على براءات اختراع متقدمة لأنظمة الطاقة الشمسية الفضائية في دول مثل الولايات المتحدة، والاتحاد الأوروبي، والصين، واليابان، والهند، وكندا، والاتحاد الروسي.

تتمتع حلول الطاقة الشمسية الفضائية من سولارين بالعديد من الفوائد. تشمل إمدادًا كهربائيًا أساسيًا نظيفًا على مدار 24 ساعة طوال الأسبوع، وهو منافس من حيث التكلفة، وخالي من الانبعاثات، ولا يتضمن أي خطر من الإشعاع النووي. كما أنه لا يتطلب ماءً للتبريد الحراري، مما يلغي احتمال ارتفاع حرارة المحيطات والأنهار والبحيرات.

يتكون حل الطاقة الشمسية الفضائية من سولارين من مكونين: القمر الصناعي للطاقة الشمسية ومحطة الاستقبال الأرضية. يستخدم القمر الصناعي مصفوفات شمسية وهوائي/مجموعة RF لالتقاط وإرسال الطاقة. تستقبل محطة الاستقبال الأرضية الطاقة المرسلة عبر هوائياتها المستقبلة.

في يوليو 2023، أعلنت سولارين عن إكمال جولة التمويل الأخيرة بنجاح، بقيادة Skyseed Ventures. جمعت سولارين $2.46 million في تلك الجولة.

التأثير العالمي وقابلية الطاقة الشمسية الفضائية

ساهم ظهور تقنيات متقدمة للغاية حول أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء في تشغيل المركبات الفضائية، والأقمار الصناعية، والمركبات الجوالة، وغيرها من البنية التحتية الفضائية. يمكن للطاقة الشمسية من الفضاء أن تساعد هذه الأنظمة على العمل لفترات ممتدة دون الحاجة إلى إعادة التزود بالوقود من مصادر الطاقة على متنها.

خفضت الابتكارات تكلفة تطوير الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام، مما قلل من نفقات إطلاق المعدات إلى الفضاء. كما انخفضت تكلفة صيانة بنية التقاط وإرسال الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء. سيساهم الاستخدام المتزايد للروبوتات والأتمتة في خفض التكاليف أكثر وزيادة الكفاءة.

وفقًا للتقديرات، تهيمن أمريكا الشمالية على الفضاء بنحو ما يقرب من خمسين بالمئة من الإيرادات العالمية المتولدة من المنطقة. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بمحركات النمو المستقبلية، تمتلك الصين والهند إمكانات عالية.

التحديات التي يجب التغلب عليها

في المستقبل، سيتعين على حلول الطاقة الشمسية الفضائية التغلب على بعض الاختناقات الحرجة. أحد هذه هو تحقيق التوازن المثالي بين تكلفة الإنتاج والأداء. تعاني حلول نقل الليزر ذات التكلفة الأقل من انخفاض طاقة كل قمر صناعي، مما يتطلب عدة أقمار لتحقيق تأثير ملحوظ. بينما قد تصل تكاليف حلول نقل الميكروويف إلى عشرات المليارات من الدولارات في نفقات الإطلاق.

قد تطرح حلول نقل الليزر، رغم ابتكارها، تحديات تتعلق بالسلامة مثل العمى وإمكانية استخدامها كسلاح. من ناحية أخرى، لا تواجه حلول نقل الميكروويف هذه المخاوف الأمنية المحددة، لكنها تتطلب مساحة كبيرة، مما يستلزم أن تكون مستقبلات الأرض بقطر عدة كيلومترات.

تتحمل أقمار الليزر أيضًا وطأة عدم انتظامات الغلاف الجوي مثل السحب الكثيفة أو الأمطار. أما حلول نقل الميكروويف، نظرًا للمسافة المطلوبة من الأرض، فتصعب صيانتها عمليًا.

يجب معالجة جميع هذه المشكلات وحلها بدقة. سيتعين تقليل حجم الأقمار الصناعية ومستقبلات الأرض بشكل كبير دون تقليل قدراتها على التقاط وإرسال الطاقة.

يجب أن تكون التكلفة معتدلة لتتمكن الدول النامية من اختبار وتجربة هذه التقنيات بثقة. يجب تعزيز إجراءات الصيانة، ويجب أن تصبح الحلول مستقلة عن الظروف الجوية في أدائها.

طريق واعد أمامنا

مع استثمار شركات عامة كبرى بشكل كبير في تصنيع منتجات وحلول الطاقة الشمسية الفضائية، يبدو الطريق أمامنا واعدًا. سيزدهر الابتكار، وستصبح الأنظمة أكثر كفاءة وتحسينًا.

في النهاية، القوة التي تدفع مهمات الطاقة الشمسية الفضائية عالميًا هي الهدف الأكبر لتحقيق الاستدامة للكوكب من خلال الطاقة المتجددة.

عند تحقيق كامل إمكاناتها، يمكن للطاقة الشمسية الفضائية توفير الكهرباء لأي دولة بنفس التكلفة دون الحاجة إلى إنفاق جديد لبناء خطوط نقل طويلة المسافة.

يعتقد المحللون أن الطاقة الشمسية الفضائية يمكن أن تخلق أكثر من 250,000 وظيفة تقنية عالية الدوام خلال العقدين القادمين. في الواقع، قد يكون هذا الرقم أكبر.

لذلك، ستستمر حلول الطاقة الشمسية الفضائية في احتلال حصة متزايدة من سوق الكهرباء العالمي القائم بقيمة 2 تريليون دولار أمريكي. مع توسع النطاق، سيقفز المزيد من مزودي الحلول إلى قطار SSP. سيصبح ذلك طريقة اقتصادية قابلة للتطبيق لحل تحديات الطاقة التي تواجه الكوكب اليوم.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطاقة المتجددة.