الطاقة الفضائية الشمسية SBSP

في عام 1941 م نُشرت قصة خيالية قصيرة من تأليف اسحاق اسيموف تُدعى “السبب” ، ذكر فيها أنه في المستقبل سيتمكن البشر من استقبال طاقة كهربائية مستدامة من الفضاء عبر أشعة مايكروويف

7 reasons why Isaac Asimov is the greatest science fiction writer ever — اسحق ازيموف isaac asimov كاتب أمريكي خيال علمي ، نشرت له رواية بعنوان “السبب” عن استخدام البشر لطاقة الفضاء الشمسية وارسالها عبر موجات مايكروويف إلى الأرض لتوزيعها لاحقها إلى جميع أنحاء الكرة الأرضية

ألهمت هذه الفكرة العصرية صناع الطاقة ورواد الابتكار العلمي،و قدم العالِم الأمريكي بيتر جلاسر على إثرها اختراعا أكد جدوى الفكرة، تتضمن التقنية ؛ إرسال قمر صناعي يحوي ألواحا كهروضوئية photovoltaic بمساحة 1 كم مربع تقع في مدار جيوسينكرونيس المتزامن مع دوران الأرض الذي يبعد 35000 كم عن الأرض، لجمع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة كهربائية ثم ارسالها عبر موجات كهرومغناطيسية عن طريق مصفوفة طورية لتصل إلى هوائيات استقبال ( ريكتينا ) تضاهي مساحة الألواح الفضائية على الأرض لتتوزع لاحقا في الشبكات الكهربائية،

Peter Glaser drew interest with an article he wrote in 1968 titled “Power From the Sun: Its Future.” — بيتر جلاسر ، عالم أمريكي، يعرض تصوره حول تقنية ارسال الطاقة الشمسية عبر الموجات الكهرومغناطيسية والتي عرضها في مقال “Power From the Sun: Its Future.” في مقال عام 1968م

إنما يبقى التساؤل المُلزم؛ ما جدوى التقنية ؟ ما هي تحديات النظام ؟ بل هل ستتحقق أحداث قصة خيالية رويت منذ 70 عام أم أنه لم يحن الوقت بعد؟ كيف تحاول الجهات التغلب على صعوبات المشروع بتحقيق ما هو غير ممكن؟ هل هي آمنه ؟ موضوع يناقش أبعاد التقنية من فوائد وتحديات وآخر ما استجد !!

تصور حول الطاقة الشمسية الفضائية Space Based Solar Panel

منذ بداية القرن الواحد والعشرين والدول الصناعية الكبرى كاليابان والصين وأوروبا من بعد أمريكا قد أخذت الفكرة بجدية غير مسبوقة بحيث كثفت الدراسات والاختبارات التي تخص التقنية وهي في تطوير مستمر للنماذج الأولية إلى يومنا هذا …لأنها تتميز عن الخلايا الشمسية الأرضية ب التقاط أكثر شدة لأشعة الشمس بحيث تتفادى الغلاف الجوي الذي يبدد ويعكس من %55 إلى 60 % من أشعة الشمس، بالإضافة إلى فترة جمع أطول بسبب قابلية تمركزه في مدار حيث لا يوجد ليل ويمكنه انتاج طاقة على مدار 24 ساعة في اليوم

وفكرة إعادة توجيه الطاقة مباشرةً إلى المناطق التي هي في أمس الحاجة إليها هي ما أغرتهم لتبني التقنية بحيث يمكن لساتل التجميع أن يوجه الطاقة عند الطلب إلى مواقع سطحية مختلفة بناءً على احتياجات طاقة الحمل القصوى

حتى اللحظة توصل التقنيين إلى طريقتين لإرسال الطاقة وهي بساتل أشعة الميكروويف التي ذُكرت في القصة والأخرى عبر الليزر

كيف يعمل؟

يتكون النظام من 3 مراحل ، جمع الطاقة ، إرسالها ومن ثم استقبالها عبر هوائيات متخصصة وتحويلها لكهرباء

جمع الطاقة

الخلايا الكهروضوئية { photovoltaic cells } هي من التوجهات الأكثر شيوعًا لحصد الطاقة الشمسية للأقمار الصناعية التي تعمل بالطاقة الشمسية. قد تكون مستوية (وعادة ما تكون مبردة بشكل سلبي [ عن طريق غشاء حراري بحيث لا حاجة للمراوح ] ) ، أو مركزة (وربما مبردة بشكل نشط). ومع ذلك ، هنالك العديد من البدائل المثيرة للاهتمام:

الطاقة الشمسية الحرارية Solar thermal : اقترح أنصار الحرارة الشمسية استخدام التسخين المركز لانتاج البخار واستخراج الطاقة عبر التوربينات البخارية متبوعًا ب عملية تبريد البخار في المبردات. قد تشمل مزايا هذه الطريقة الكتلة الكلية للنظام (المتنازع عليها) ، وعدم التدهور بسبب أضرار الرياح الشمسية ، وتحمل الإشعاع

الليزر الذي يتم ضخه بالطاقة الشمسية solar pumped laser : اتبعت اليابان تقنية الليزر الذي يتم ضخه بالطاقة الشمسية مباشرة، بحيث تثير أشعة الشمس بشكل مباشر وسيط الليزر المستخدم في إنشاء شعاع متماسك إلى الأرض.

حلقة الرياح الشمسية Solar wind loop: يُطلق عليها أيضًا قمر دايسون-هاروب. هنا لا يستخدم القمر الصناعي الفوتونات من الشمس بل الجسيمات المشحونة في الرياح الشمسية والتي تولد عن طريق الاقتران الكهرومغناطيسي تيارًا في حلقة كبيرة.

يستند مفهوم ما يسمى بالقمر الصناعي دايسون-هاروب أساسا على سلك معدني بطول 300 متر موجهة نحو الشمس (F). يتم شحن هذا السلك لتوليد مجال مغناطيسي أسطواني ( E) يعيق الإلكترونات التي تشكل نصف الرياح الشمسية. ويتم توجيه هذه الإلكترونات إلى مستقبل كروي معدني (D) لإنتاج تيار يولد المجال المغناطيسي للسلك – مما يجعل النظام مستدامًا ذاتيًا أما التيار الفائض فيتم تحويله إلى أشعة تحت الحمراء وارساله إلى الأرض مباشرة ، تمتاز الاشعة الحمراء بإن الغلاف الجوي لا يمتصها بل تصل للأرض مباشرة ، إن سلكا بطول 1 كم موجه نجو الشمس كفيل بتوليد 1.5 ميغاواط من الطاقة

ارسال الطاقة :

هي المرحلة الأهم والتي تعتمد عليها نجاح التقنية

إرسال الطاقة اللاسلكي أو {power beaming} و تُسمى أيضًا بإشعاع الطاقة، وهي عملية نقل الطاقة عن طريق حزم من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مثل الموجات الكهرومغناطيسية أو اشعاع دقيق ك أشعة الليزر للتمكن من نقل الطاقة لمسافات بعيدة

أجريت الإختبارات على هذه التقنية واثبتت فعاليتها، ففي عام 2015م على سبيل الحصر ، أعلنت منظمة الاستكشاف اليابانية في مارس 2015 أنها بثت لاسلكيًا 1.8 كيلوواط لمسافة 50 مترًا إلى جهاز استقبال صغير عن طريق تحويل الكهرباء إلى أشعة ميكروويف ثم إعادته إلى تيار كهربائي ، بعدها عرضت شركة Mitsubishi Heavy Industries عملية نقل تبلغ 10 كيلووات من الطاقة إلى وحدة استقبال تقع على مسافة 500 متر والعديد من المؤسسات تتبع ابتكارات أخرى في نقل الطاقة و بأقصى كفاءة

الهدف الآن يرتكز على إرسال الطاقة من الفضاء إلى الأرض ،و ذلك يعني عبر عشرات الآلاف من الكيلومترات، ك مرحلة للوصول نحو طاقة مستدامة {sustainable energy}

ساتل اشعة المايكرويف من الطاقة الشمسية MICROWAVE TRANSMITTING SOLAR SATELLITE

يرتبط ب القمر الصناعي مرايا عاكسة و ألواح شمسية تتموضع في المدار المتزامن مع الأرض الذي يبعد عن سطح الأرض 35000 كم ، تعكس المرايا أشعة الشمس وتوجهها نحو الخلايا الكهروضوئية لإنتاج الكهرباء لإعادة توجيهها لاحقا إلى أنابيب مفرغة عالية التردد ليحول >80 % من الكهرباء لموجات كهرمغناطيسية عن طريق مصفوفة طورية {Phased array}، حيث سيتم استقباله بواسطة ريكتينا {و هي نظام استقبال يحول أشعة الميكروويف لطاقة كهربائية } في مساحة تبلغ 6.5 كم في 8.5 كم ليتم تحويل 85 % من الأشعة لتيار كهربائي مستمر DC current ليحول لاحقا إلى تيار متردد AC و يتم توزيعه إلى الشبكات الكهربائية

تقنية تجميع الطاقة بالألواح الشمسية وارسالها عبر أشعة المايكروويف

يتميز بانتقال ثابت وغير منقطع للطاقة خلال المطر والسحب والظروف الجوية الأخرى. تنقل الطاقة بأمان عبر الهواء في شدة لا تزيد عن شمس الظهيرة. توفر ما يزيد عن 1 جيجاواط من الطاقة للمستقبل الأرضي ، وهو ما يكفي لتشغيل مدينة كبيرة

ساتل الليزر LASER TRANSMITTING SOLAR SATELLITE

مدارات الأقمار الصناعية المختلفة حول الأرض والمسافة من سطح الأرض

إلا أن وكالة استكشاف الفضاء اليابانية JAXA قد طورت نموذج لمحطة بقدرة 1 جيجاواط أي 1000 ميغاواط !، باستخدام نموذج يتضمن عدة وحدات من ساتل الليزر كل وحدة بمرايا ونظام مشعاع بمساحة 100 م في 200 م ، كل واحدة منها تحول 37 % من اشعة الشمس لليزر بطاقة 10 ميغا واط مكدسة في خط بطول 10 كم في الفضاء

في أوروبا وحدت وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) مجتمعات البحث الأوروبية والصناعة في عام 2002 في شبكة SPS الأوروبية. قدمت خطة برنامج متعددة المراحل الإطار للعديد من الدراسات المتعلقة بـ SPS القائم على الليزر.
و كجزء من المرحلة الأولى، تمت دراسة استخدام نقل طاقة الليزر لتطبيقات الفضاء إلى الفضاء ، جنبًا إلى جنب مع EADS As trium الشركة الأوروبية للدفاع الجوي والفضاء ، بما في ذلك تشغيل العناصر السطحية على القمر والمريخ ، والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض ومهام الفضاء السحيق.

ما هي إمكانية تنفيذ المشروع

إن أكثر ما يؤخر مشروع ساتل الميكروويف هو التكلفة الباهضة التي تتركز بالأخص في نقل المواد وإعادة تركيبها فيما بعد في مدار جيوسنكرونس Geosynchronous Orbit

ف تزن الألواح الشمسية ما يقارب 25 كجم لكل كيلو واط ، بحيث لابد من الوصول ل 4 غيغا واط للتمكن من التشغيل التجاري والذي سوف يزن في المقابل 80000 طن متري ولو اعتبرنا أن تكلفة اطلاق كجم للمدار الأرضي المنخفض LEO هي 2000$ فإن التكلفة الكلية ل لمحطة طاقة بسعة 4 جيجا واط سوف تصل ل 160$ مليار، مقارنة مع تكلفة انشاء محطة طاقة نووية ب 6- 9 $ مليار و علقت ناسا على ذلك أن الطاقة الشمسية الفضائية هي أغلى بحوالي خمس مرات من الطاقة الشمسية من صحراء أريزونا ، يمكن حل ذلك بتقليل وزن الألواح الشمسية ل 1 كجم لكل كيلو واط ، وبذلك سوف تصل سعر تكلفة الإطلاق 8 $ مليار ل محطة بقدرة 4 جيجاواط

المشكلة الأخرى تكمن في المسافة البعيدة للقمر الصناعي من الأرض والتي تجعل من المستحيل تقريبًا صيانته

صحيح أن ساتل الليزر خفيف الوزن ويتطلب الاطلاق للمدار الأرضي المنخفض LEO يبعد 1000 كم من سطح الأرض كحد أقصى، إلا أن قدرة كل ساتل هي { 1 ميغاواط} بحيث أنه يتطلب عدة ساتلات لانتاج 1 جيجا واط واحداث تغير ملموس ويمكن أن تواجه مشكله في ارسال الطاقة كاملة في حالة السحب المتراكمة والأمطار

في حين أن هذا القمر الصناعي أخف وزناً وأرخص وأسهل في الانتشار من نظيره ذو أشعة الميكروويف ، إلا أنه لا تزال هناك تحديات خطيرة. يمكن أن تعتمد فكرة الليزر عالي الطاقة في الفضاء على مخاوف من عسكرة وحروب الفضاء !!

إلا أنه وفي المقابل اقترحت الصين التعاون مع الهند بارتباط طويل الأمد بتمويل مناسب إلى جانب دول أخرى تطمح لجلب الطاقة الشمسية إلى الأرض

تبلغ تكلفة الإنتاج عشرات المليارات من الدولارات لساتل الميكروويف ، وتتطلب ما يصل إلى 100 عملية إطلاق في الفضاء . الصين بدأت بالفعل في تطوير صاروخ جديد للأحمال الثقيلة لاطلاقه في مدار GEO وتتطلب اطلاق العديد من الصواريخ وتجميع الأجهزة ثم البدء التجريبي باختبار لتوليد الكهرباء على نطاق صغير في العام القادم 2022م ، ليتوسع بعد ذلك ب منشأة لتوليد الطاقة على مستوى ميغاواط حوالي عام 2030 وفقًا لـ Long

مستوى الأمان

تبلغ شدة اشعاع الميكروويف الذي سيصل للأرض من المرسل هو 26 ميلي واط / سم 2 ، وهو أعلى من الحد المقبول لمعايير الأمن والسلامة 10 ميلي واط / سم2 ، ولكن هذه النسبة تبلغ في المركز بينما أقل من 1 % بعيدا عنها وهو مقارب لشدة أشعة الميكروويف التي تصل للارض في كل الأحوال ، أمر آخر هو أن 95 % من هذه الشدة سوف تتم امتصاصها عبر اللاقط والنسبة الأخرى تتشتت وتتبد بواسطة أجهرزة مخصصة، يمكن تفادي تعرض السكان للاشعة عبر احاطة المنطقة الخطرة بسياج وبالنسبة للطائرات فخاصية قفص فارادي التي تعترض اشعة الميكروويف هي بالفعل مصممة في هيكل الطائرات،

من ضمن الاقتراحات كانت بانشاء ال Rectenna في البحر لزيادة مستوى الأمان ولكن احتماليه التعرض للتآكل والضغط الميكانيكي وتلوث البحار حال دون ذلك

ربما في المستقبل القريب حين تتوفر بنية مستعدة في الفضاء ستصبح هذه الرؤية ممكنه حينها سوف يصل الإنسان لمصدر مستدام غير منقطع من الطاقة وباستمرار و الحد من انتشار تقنيات حفظ الطاقة المتجددة، يمكن أيضا للدول بأن تستثمر بالطاقة الفائضة بتوجيهها لاسكليا للدول المستهلكة كجزء من تصدير الطاقة