برداشت انرژی خورشیدی موجود در فضا در آینده‌ای نزدیک

ایده استفاده از انرژی خورشیدی موجود در فضا (SBSP) حداقل از اواخر دهه ۱۹۶۰ وجود داشته است. این هدف، علیرغم پتانسیل فوق‌العاده‌ای که دارد، به دلیل هزینه زیاد و موانع تکنولوژیکی، در این مدت قابل دسترسی نبوده است. 

اما آیا اکنون دانشمندان می‌توانند بر بعضی از این مشکلات فائق آیند؟ اگر چنین باشد، SBSP می‌تواند نقش بسیار مهمی در جایگزینی انرژی سبز خورشیدی به جای انرژی‌های فسیلی ایفا کند.

ما در حال حاضر نیز انرژی خورشیدی را به کار می‌گیریم. این کار با استفاده از فناوری‌های مختلفی مانند فتوولتائیک (PV) و انرژی خورشیدی-گرمایی انجام می‌شود. استفاده از انرژی باد هم به‌نوعی استفاده غیرمستقیم از انرژی خورشید است،‌ زیرا باد نیز از گرمای ناهموار جو که عامل آن خورشیدی دارد، تولید می‌شود. 

 اما تولید این نوع انرژی‌های به اصطلاح سبز، با محدودیت‌هایی مواجه هستند. به‌عنوان مثال مزارع خورشیدی انرژی را در شب جذب نمی‌کنند و در زمستان و روزهای ابری هم میزان کمتری از آن را می‌توانند جمع‌آوری کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که PV در مدار با شروع شب محدود نمی‌شود. یک ماهواره در مدار زمین (GEO) قرار می‌گیرد، به‌طوری‌که در ۹۹ درصد مواقع در معرض خورشید است. از این طریق می‌توان انرژی سبز را به صورت ۲۴ ساعته در تمام روزهای هفته تولید کرد.

از آنجا که ماهواره‌ها نسبت به زمین وضعیت ساکنی دارند، GEO برای زمانی ایده‌آل است که انرژی از فضاپیما به یک جمع‌کننده انرژی یا ایستگاه زمینی ارسال شود. دانشمندان تصور می‌کنند که ۱۰۰ برابر انرژی خورشیدی مورد نیاز بشر تا سال ۲۰۵۰، در GEO وجود دارد. 

انتقال انرژی جمع‌آوری شده در فضا به زمین، نیازمند برق بی‌سیم است. استفاده از مایکروویو برای این کار، انرژی از دست رفته در جو را حتی در آسمان ابری به حداقل می‌رساند. پرتو مایکروویو ارسال شده توسط ماهواره به سمت ایستگاه زمینی متمرکز می‌شود. درست در جایی که آنتن‌ها امواج الکترومغناطیسی را دوباره به برق تبدیل می‌کنند. قطر ایستگاه زمینی باید ۵ کیلومتر یا بیشتر در عرض‌های جغرافیایی بالا باشد. با این حال، این مساحت موردنیاز باز هم نسبت به مساحت موردنیاز برای تولید همان مقدار انرژی با استفاده از خورشید یا باد بسیار کمتر است. 

طرح‌های در حال تکامل

از زمان مطرح شدن اولین ایده‌ها توسط «پیتر گلاسر» در سال ۱۹۶۸،‌ طرح‌های متعددی ارائه شده است. در فرآیند SBSP انرژی چندین بار تبدیل می‌شود (نور به الکتریسیته به مایکروویو به الکتریسیته) و مقداری از آن به صورت گرما از دست می‌رود. برای تزریق ۲ گیگاوات برق به شبکه،‌ باید حدود ۱۰ گیگاوات برق توسط ماهواره جمع‌آوری شود.

اخیرا طرحی به نام CASSIOPeiA مطرح شده که از دو بازتابنده قابل هدایت به عرض ۲ کیلومتر تشکیل شده است. این بازتابنده‌ها نور خورشید را به مجموعه‌ای از صفحات خورشیدی منعکس می‌کنند. این فرستنده‌های برق را که قطری در حدود ۱۷۰۰ متر دارند، می‌توان در ایستگاه زمینی مشاهده کرد. تخمین زده می‌شود که این ماهواره‌ می‌تواند ۲۰۰۰ تن جرم داشته باشد.

طرح دیگری به نام SPS-ALPHA نیز مطرح شده که با CASSIOPeiA متفاوت است. جمع‌آوری‌کننده خورشیدی یک ساختار بزرگ است که توسط تعداد زیادی بازتابنده کوچک و مدولار به نام هلیواستات تشکیل شده است که هر یک می‌توانند به‌طور مستقل حرکت کنند. آن‌ها برای کاهش هزینه به‌صورت انبوه تولید می‌شوند.  

در سال ۲۰۲۳،‌ دانشمندان MAPLE را در Caltech راه‌اندازی کردند. MAPLE آزمایشی ماهواره‌ای در مقیاس کوچک است که توانست مقدار بسیار کمی از انرژی را به Caltech ارسال کند. MAPLE ثابت کرد که این فناوری می‌تواند برای انتقال نیرو به زمین مورد استفاده قرار گیرد. 

منافع ملی و بین‌المللی

SBSP می‌تواند نقش مهمی برای دستیابی بریتانیا به اهدافی که برای تولید انرژی سبز دارد، ایفا کند، با این حال در استراتژی فعلی دولت پذیرفته نشده است. یک مطالعه مستقل نشان داد که SBSP می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ تا ۱۰ گیگاوات برق تولید کند. این مقدار یک چهارم تقاضای فعلی بریتانیا است. SBSP منبع انرژی ایمن و پایداری را فراهم خواهد کرد. همچنین می‌تواند یک صنعت چندمیلیارد پوندی با ۱۴۳۰۰۰ شغل در سراسر کشور ایجاد کند. آژانس فضایی اروپا در حال حاضر در حال ارزیابی قابلیت SBSP است. 

کشورهای دیگر نیز اخیرا اعلام کرده‌اند که قصد دارند تا سال ۲۰۵۰ انرژی‌های خورشیدی را به زمین ارسال کرده و در دو دهه آینده به سمت سیستم‌های بزرگ‌تر حرکت کنند.

یک ماهواره عظیم

با همه این تفاسیر، اگر همه چیز آماده است چرا از SBSP استفاده نمی‌شود؟ محدودیت اصلی در مقدار عظیم جرمی است که باید به فضا پرتاب شود و هزینه هر کیلوگرم از آن است. شرکت‌هایی مانند اسپیس ایکس و بلواوریجین در حال توسعه وسایل حمل‌ونقل سنگین با تمرکز بر استفاده مجدد از قطعات آن‌ها پس از پرواز هستند. این کار می‌تواند هزینه سرمایه‌گذاری را تا ۹۰ درصد کاهش دهد.

چالش‌ها و خطرات

یک ماموریت SBSP چالش‌برانگیز خواهد بود و خطرات آن هنوز باید به‌طور کامل ارزیابی شود. درست است که برق تولید شده کاملا سبز است،‌ اما پیش‌بینی تاثیر آلودگی صدها پرتاب وسایل حمل‌ونقل سنگین به فضا نیز دشوار است. 

علاوه بر این، کنترل چنین ساختار بزرگی در فضا به مقادیر قابل توجهی سوخت نیاز دارد که مهندسین را درگیر کار با مواد شیمیایی گاهی اوقات بسیار سمی می کند. پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک فرسوده می‌شوند و بازدهی آن‌ها با گذشت زمان از ۱٪ به ۱۰٪ در سال کاهش پیدا می‌کند. با این حال، سرویس و سوخت‌گیری می‌تواند برای افزایش طول عمر ماهواره تقریبا به‌طور نامحدود مورد استفاده قرار گیرد.

یک پرتو مایکروویو که قدرت کافی برای رسیدن به زمین را داشته باشد نیز می‌تواند به هر چیزی که در راه باشد آسیب برساند. بنابراین، برای ایمنی، چگالی توان پرتو باید محدود شود.

از طرفی چالش ساخت سکوهایی در فضا ممکن است دلهره‌آور به نظر برسد. برای اینکه چنین پروژه‌ای از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه باشد، نیاز به مهندسی‌هایی در مقیاس بزرگ و در نتیجه تعهد طولانی‌مدت و قاطع دولت‌ها و سازمان‌های فضایی دارد.

اما با وجود همه این موارد، SBSP می‌تواند سهمی اساسی در تولید برق سبز تا سال ۲۰۵۰ با استفاده از انرژی پایدار و پاک از فضا داشته باشد.