אנרגיה
התקדמויות בטכנולוגיית השמש מהוות פתרונות מבוססי חלל כמנות סבירות
במשך זמן רב, מחקרים נרחבים נערכים על דרכים ללכוד ולנצל אנרגיה סולארית מבוססת חלל. מדענים ומומחי טכנולוגיה מאמינים כי אנרגיה סולארית מבוססת חלל יכולה להיות תוספת יעילה לקבוצת מקורות האנרגיה הבת-קיימים.
באופן תפקודי, ההקמה תהיה בעלת לוחות איסוף וקצירת אנרגיה ברמות מסלול, אשר ישדרו בחזרה אנרגיה סולארית לנמענים המותקנים על כדור הארץ. ומכיוון שזה כולל חלל, כדור הארץ ונתיב השידור בין שני הנקודות, זה חייב להיות מורכב מפתרונות טכנולוגיים מתוחכמים.
בהבטחה, התקדמויות שהושגו בטכנולוגיית השמש ברחבי העולם הפכו את ייצור אנרגיה סולארית מבוססת חלל לאפשרות. אבל לפני שנעמיק יותר, בואו נביט מבט על מהו אנרגיה סולארית מבוססת חלל ומהם יתרונותיה.
אנרגיה סולארית מבוססת חלל ויתרונותיה
על פי נתונים שהוצגו על ידי מחלקת האנרגיה של ארצות הברית, בכל שעה על כדור הארץ, אנו מקבלים יותר אנרגיה סולארית מאשר שאנו יכולים להשתמש בה בשנה. כמעט 30% מאנרגיה זו חוזרת לחלל בלתי מנוצלת על ידי האטמוספירה. אנרגיה זו יכולה להילכד ולהיעשות בצורה יעילה אם נקבל מנגנונים חזקים של אנרגיה סולארית מבוססת חלל.
במערכת זו, לוחות סולאריים המותקנים על לוויינים יכולים ללכוד ולשדר יותר אנרגיה מאשר לוחות סולאריים המותקנים על פני השטח של כדור הארץ. הם מבצעים טוב יותר בגלל היתרונות שיש להם בהיותם בחלל. על פי תיאור ה-DEA, אלו:
“לוויינים המצוידים בלוחות סולאריים, המשדרים אנרגיה, אוספים קרינה סולארית בעוצמה גבוהה וללא הפרעה.”
האספקה היא ללא הפרעה, מכיוון שבחלל, אין עננים ואין לילה.
הטכנולוגיה כוללת הצבת מראות ענקיות שמחזירות כמויות גדולות של קרינת שמש אל לוחות איסוף סולאריים קטנים יותר, כך שניתן יהיה לשדר אותם באופן אלחוטי לכדור הארץ בצורה בטוחה ומבוקרת, היא מיקרוגל או לייזר.
מכיוון שתהליך זה כולל טכנולוגיה מתוחכמת, הוא מושך פתרונות חדשניים מכל רחבי העולם. NASA פרסמה דו”ח על אנרגיה סולארית מבוססת חלל כדי לצייד את עצמה ב”מידע שהיא זקוקה לו כדי לקבוע כיצד היא יכולה לתמוך בפיתוח של תחום מחקר זה.”
הדו”ח מנסה להעריך את הפרמטרים שישחקו תפקיד מרכזי בהפיכת אנרגיה סולארית מבוססת חלל לאפשרות תחרותית, שבסופה תהיה השגת אפס פליטות גזי חממה.
חלק מהבעיות הטכנולוגיות ש-NASA זיהתה עבור חוקרים וטכנולוגים פעילים בתחום זה לעבוד עליהן הן:
- הם יצטרכו למצוא דרכים להרכיב ולתחזק מערכות גדולות במסלול.
- יהיה צורך במחקר כדי להפעיל את המערכות באופן אוטונומי ולהשיג שידור אנרגיה יעיל להביא את האנרגיה המיוצרת לכדור הארץ.
- דו”ח NASA מדגיש גם שלפני הבאת מערכות אנרגיה סולארית מבוססת חלל לשימוש, חשוב לטפל בעלויות השיגור והבנייה שלהן. זה בגלל ששליחת כל החומר הזה לחלל תדרוש משימות רבות ורצופות להובלת התשתית למסלול.
דו”ח NASA סבור כי מערכות אנרגיה סולארית מבוססת חלל עשויות להפוך למוצריות ומבצעיות לחלוטין עד 2050. דרך הדו”ח, חלק מההתקדמויות המשמעותיות שנעשו בתחום זה באו לידי ביטוי. למשל, הוא הזכיר לנו את מדעני JAXA שהוכיחו כי אפשר לשדר אנרגיה באופן אלחוטי בצורת מיקרוגלים למרחק משמעותי כדי להפוך אותה לחשמל מעשי.
בניית הישג זה, מדענים מ-Caltech, במרץ 2023, הציגו את Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) כחללית הראשונה ששידרה אנרגיה סולארית שנאספה בחלל לכדור הארץ.
NASA הציעה גם כמה הערכות על הכדאיות הכלכלית של אנרגיה סולארית מבוססת חלל. חלק מהמומחים הקרובים לתחום זה במשך זמן רב אתגרו את ההערכות האלה. עם זאת, לא היה כמעט שום דחייה של היתרונות שמערכת ייצור האנרגיה הזו מבטיחה לספק. היא יכולה לסייע בסיוע באסונות, הפעלת חיישנים מרוחקים, והסרת המכשולים הקיימים של מערכת האנרגיה המסורתית ושרשרת האספקה שלה.
בהתבסס על היתרונות, ממשלות לאומיות של כל המדינות המפותחות החלו להשקיע בזה. ישויות עסקיות גדולות שיש להן את המשאבים להשקיע, כמו Airbus ו-Northrop Grumman, עובדות על זה בלא הרף.
אנו נביט עכשיו בחלק מהישגיהם בחלקים הבאים. עם זאת, יש לזכור כי זהו תחום מתפתח ורבים מהמאמצים עדיין בשלב הגילום.
#1. Airbus Power Beaming
אחת החברות העיקריות שעובדות על קידום טכנולוגיית השמש כדי להפוך פתרונות מבוססי חלל לאפשרות היא Airbus. טכנולוגיית Power Beaming, שפותחה על ידי מחלקת המחקר והטכנולוגיה המרכזית ומחלקת Blue Sky, הציגה הדגמות אמינות של כיצד זה יכול להיות שינוי משמעותי בסצנת טכנולוגיית השמש מבוססת חלל.
על פי Jean-Dominique Coste, שאחראי לפיתוח Power Beaming יחד עם Yoann Thueux ועמיתיהם:
“הפוטנציאל של הטכנולוגיה הוא ללכוד אור שמש ואז לשדר אותו באופן אלחוטי.”
המדענים האלה מאמינים כי פתרון אנרגיה זה יכול לספק חשמל בצורה מספקת לערים, מפעלים, משקי בית ומטוסים.
מפתחי טכנולוגיה של Airbus הדגימו לראשונה את Power Beaming במפעל החדשנות X-Works של החברה ב-27 בספטמבר 2022. על אף שזה בוצע בקנה מידה קטן, ההדגמה יכלה להסביר מספיק טוב מה נדרש כדי להפעיל Power Beaming.
Coste, Thueux ועמיתיהם השתמשו בשידור מיקרוגל לשידור אנרגיה ירוקה בין שתי נקודות שייצגו ‘חלל’ ו’כדור הארץ’. המרחק בין שתי הנקודות היה 36 מטר. ההדגמה גם הפיקה מימן ירוק כדי להפעיל עיר מודל.
לאחר שההדגמה הסתיימה, Yoann Thueux אמר:
“עכשיו, כעת שבדקנו בהצלחה את האבנים המרכזיות של מערכת אנרגיה סולארית מבוססת חלל בקנה מידה קטן, אנו מוכנים לקחת את Power Beaming לרמה הבאה.”
Airbus מצפה כי טכנולוגיה זו תהיה מציאות בקרוב. היא מאמינה כי הפרוטוטיפים המבצעיים הראשונים של Power Beaming יהיו זמינים לשימוש עד תחילת שנות ה-30.
בצורתה הסופית, הטכנולוגיה תהיה בעלת לוח סולארי המותקן במסלול גיאוסטציונרי, בגובה 36,000 ק”מ מעל כדור הארץ. לוח סולארי זה יושווה ללוח סולארי באותו גודל על כדור הארץ.
האנרגיה שנאספת בחלל תשודר לאזור שיהיה בו מספר רב של אנטנות. האנטנות ילכדו את השידורים כדי לאסוף את האנרגיה ולייצר חשמל.
כאשר מערכת זו תגיע לקנה מידה מסוים, זה יעלה כמו שעולה לייצר אנרגיה עם זאת בפרויקטים גדולים על כדור הארץ המסתמכים על אנרגיה גרעינית, נפט או מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים.
על פי הערכות, חווה סולארית גיאוסטציונרית אחת תייצר כמות אנרגיה שוות ערך ל-2 ג’יגה-וואט.
ב-15 בפברואר 2024, Airbus פרסמה את תוצאותיה השנתיות המלאות ל-2023, ודיווחה על הכנסות שנתיות של 65.4 מיליארד, עם רווח מוסרסם של 5.8 מיליארד אירו.
#2. Northrop Grumman
ישות גלובלית נוספת שביצעה את הבדיקות הנדרשות שמאשרות את יכולותיה בטכנולוגיה סולארית מבוססת חלל היא Northrop Grumman. החברה הצליחה להדגים את יכולתה לשדר אנרגיה תדר רדיו לעבר אנטנות שונות על ידי כיוון השידור. היא בטוחה ביכולתה להציג את הפרוטוטיפ שלה עד 2025.
פרוטוטיפ זה ידגים את יכולת החברה לשדר אנרגיה RF לכוכב. הטכנולוגיה פותחה על ידי Northrop Grumman’s Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research (SSPIDR).
על פי Tara Theret, הבמאית התוכנית SSPIDR:
“עכשיו, זה רק בנייה, בדיקה ואינטגרציה של יתר החומרה בלוחות זמן מאתגר.”
עבודה נוספת שיש לבצע בתהליך זה כוללת הקטנת רכיבים אלקטרוניים והגדלת מספר ‘לוחות סנדוויץ’. לוחות סנדוויץ’ הם לוחות תאים סולאריים האוספים אנרגיה סולארית ומעבירים כוח לשכבה הבאה, שיש בה רכיבים המאפשרים המרת סולאר-ל-RF ועוזרים ליצור את השידורים.
החברה גם מייצרת את החומרה הדרושה להרכיב את המערכת ולשגר אותה על פלטפורמת ESPAStar של החברה. פלטפורמת ESPAStar היא אוטובוס לוויינים המאפשר למטען תמיכה בהנעה, כוח, בקרת גישה ותקשורת.
באישור העבודה שהיא עושה, מעבדת המחקר של חיל האוויר האמריקני עודדה את מאמצי Northrop Grumman עם חוזה בשווי 100 מיליון דולר ב-2018, שבו היא תפתח מטען להדגים רכיבים מרכזיים של מערכת אנרגיה סולארית מבוססת חלל.
הרשויות המעבדה כוונו לזרז את מאמצי הפיתוח הדרושים לבניית פרוטוטיפ מערכת סולארית מבוססת חלל שתספק אנרגיה סולארית לבסיסים צבאיים אמריקניים.
בכלל, בהצביעה על הפוטנציאל שפתרונות מבוססי חלל בטכנולוגיית השמש הולכים להחזיק לעתיד, Tara Theret אמרה:
“שידור אנרגיה סולארית מבוססת חלל הוא בעל פוטנציאל לספק אנרגיה לכל מקום על כדור הארץ בכל עת. טכנולוגיה זו יכולה לספק חשמל לאזורים מרוחקים שזקוקים לציוד רפואי ותקשורת.”
(NOC )
Northrop Grumman רשמה מכירות כוללות של 36.6 מיליארד דולר בשנה שהסתיימה ב-31 בדצמבר 2022. ההכנסות מזרם המערכות החלליות היו קרוב ל-12.3 מיליארד דולר, עלייה משמעותית מ-10.6 מיליארד דולר בשנה הקודמת. מתוך 12.3 מיליארד דולר הכנסות שנרשמו ב-2022, 94% באו מהממשל האמריקני, בעוד 3%, 2% ו-1% באו ממכירות בינלאומיות, מכירות ללקוחות אחרים ומכירות בין-מחלקתיות, בהתאמה.
#3. CESI
CESI, הממוקמת במילאנו, איטליה, היא בעלת שלושה עשורים של ניסיון בביצוע מחקר, פיתוח וייצור תאים סולאריים בעלי יעילות גבוהה עבור יישומים חלליים. יותר מכך, היא אחת מספקיות התאים הרב-מפרטיים המובילות בעולם, המשתמשות בגאליום ארסניד ובזרחן אינדיום גאליום.
CESI מחזיקה במגוון תאים סולאריים לחלל. תאים אלו, לבד מגאליום ארסניד וזרחן אינדיום גאליום, כוללים גם גרמניום. תאים אלו מוכחים כיעילים עבור לוויינים במסלול נמוך וגיאוסטציונרי. מוצרים אלו תואמים גם את התקנים הנדרשים של ECSS E ST20-08C. CESI עומדת להשיק תאים בעלי ארבעה מפרטים, שיהיו בעלי רמות יעילות גבוהות יותר מתאים בעלי שלושה מפרטים.
בעתיד, CESI מתכננת להציע מגוון רחב של מוצרי תאים סולאריים לחלל, שיענו על כל דרישה של תוכנית חלל. עד כה, מאמציה של CESI הובילו ליותר מ-200,000 תאים סולאריים, המספקים כוח ליותר מ-70 לוויינים אזרחיים עבור לקוחות ב-25 מדינות.
CESI מחזיקה בטכנולוגיה פרופריאטורית לייצור תאים סולאריים במילאנו. במהלך השנים, היא בנתה רשת צפופה ועמוקה עם רבות מסוכנויות החלל הבינלאומיות והשחקנים.
בדומה ל-Northrop Grumman, CESI עובדת גם עם הממשלה האיטלקית וקיבלה מימון מסוכנות החלל האיטלקית (ASI) וסוכנות החלל האירופית (ESA). היא ייצרה תאים סולאריים מתקדמים כדי לענות על צורכי תוכנית החלל האירופית ומשימות בין-כוכביות רבות.
על פי פרסום פיננסי האחרון, החברה הרוויחה הכנסה של יותר מ-87 מיליון כתרים צ’כיים בשנה הכספית שהסתיימה ב-31 בדצמבר 2022.
התקדמויות בטכנולוגיה סולארית מבוססת חלל: הדרך קדימה
טכנולוגיה סולארית מבוססת חלל מצאה את מקומה על ידי הוכחת ערכה לקהילה הגלובלית, מה שהוביל לממשלות לאומיות ברחבי העולם להשקיע בזה בהתלהבות. בארצות הברית, זה תורגם לפעולה כאשר מעבדת המחקר הימית ערכה ניסוי ב-2020 ללכוד אור שמש ולהמירו לאנרגיה חשמלית ישירה. היא השתמשה במטוס החלל X-37B של חיל האוויר למטרה זו.
בינתיים, מאמצים בינלאומיים גם הם מתגברים. הרשויות הסיניות קבעו יעדים שאפתניים עם תוכנית הדגמה מבוססת חלל ל-2028, בהובלת האקדמיה הסינית לטכנולוגיית החלל. באירופה, Solaris עומדת בולטת כתוכנית מחקר ממומנת היטב, שקיבלה אור ירוק מסוכנות החלל האירופית. הממלכה המאוחדת גם היא במרוץ, כיוון שהיא מציעה מענקים למחקרים על לכידת אנרגיה סולארית בחלל.
ברור, חברות חדשניות, ארגונים גלובליים גדולים וממשלות ברחבי העולם עובדות יחדיו כדי ללכוד ולנצל את האנרגיה שהחלל מציע לנו. עם אנרגיה סולארית בלתי מופרעת ובלתי מנוצלת, המחכה להינוצל לטובת כדור הארץ, העתיד נראה אכן מבטיח.
