العلماء يرسلون الطاقة الشمسية من الفضاء إلى الأرض لأول مرة في التاريخ!

وهذا يجعلها ثالث أكبر مصدر لسوق الطاقة المتجددة، تليها الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح.

ومن المتوقع أن تنمو هذه الطرائق الثلاث بشكل كبير في العقود القادمة، لتصل إلى 40٪ بحلول عام 2035 و45٪ بحلول عام 2050. وإجمالا، من المتوقع أن تشكل مصادر الطاقة المتجددة 90٪ من سوق الطاقة بحلول منتصف القرن، مع استخدام الطاقة الشمسية لنصفها تقريبا.

ومع ذلك، يجب التغلب على العديد من التحديات والمشكلات الفنية حتى يحدث هذا الانتقال. والعامل المحدد الرئيسي للطاقة الشمسية هو التقطع، ما يعني أنه لا يمكنها تجميع الطاقة إلا عندما يتوفر ضوء الشمس الكافي. ولمعالجة هذا الأمر، أمضى العلماء عقودا في البحث عن الطاقة الشمسية الفضائية (SBSP)، حيث ستجمع الأقمار الصناعية في المدار الطاقة على مدار 24 ساعة في اليوم، 365 يوما في السنة، دون انقطاع.

ولتطوير التكنولوجيا، أكمل الباحثون في مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مؤخرا أول نقل طاقة لاسلكي ناجح باستخدام مصفوفة الموجة الصغرى لتجربة مدار منخفض لنقل الطاقة (MAPLE).

إقرأ المزيد

علماء روس يكتشفون استخداما جديدا لنتريد البورون

وتم تطوير MAPLE بواسطة فريق Caltech بقيادة علي هاجيميري، أستاذ Bren للهندسة الكهربائية والهندسة الطبية والمدير المشارك لـ SSPP. MAPLE، وهي واحدة من ثلاث تقنيات رئيسية تم اختبارها بواسطة Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1).

وتتكون هذه المنصة من مجموعة من أجهزة إرسال الموجة الصغرى المرنة وخفيفة الوزن التي يتم التحكم فيها بواسطة شرائح إلكترونية مخصصة. وتم الإنشاء باستخدام تقنيات السيليكون منخفضة التكلفة المصممة لحصد الطاقة الشمسية وإرسالها إلى محطات الاستقبال المرغوبة في جميع أنحاء العالم.

وبدأ برنامج SSPP في عام 2011 عندما اتصل دونالد برين، وهو عضو مدى الحياة في مجلس أمناء معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، برئيس معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا آنذاك جان لو شامو لمناقشة إنشاء مشروع بحث SBSP.

ووافق برين وزوجته (أيضا أحد أمناء معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا) على التبرع بما مجموعه 100 مليون دولار لتمويل المشروع، بينما قدمت شركة Northrop Grumman نحو 12.5 مليون دولار إضافية. وتم إطلاق SSPD-1 في الثالث من يناير على سطح SpaceX Falcon 9 كجزء من برنامج مشاركة الرحلة وتم نشره بواسطة مركبة فضائية Vigoride (مقدمة من شركة Momentus للفضاء).

ولكي يكون SBSP ممكنا، يجب أن تكون الأقمار الصناعية خفيفة الوزن بحيث يمكن إطلاقها بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومرنة بحيث يمكن وضعها داخل انسيابية الحمولة الصافية على غرار تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST).

ويعد هاري أتواتر، رئيس Otis Booth الرئيسي لقسم الهندسة والعلوم التطبيقية، وأستاذ الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد هوارد هيوز، ومدير تحالف ضوء الشمس السائل، أحد الباحثين الرئيسيين في المشروع. كما أوضح في بيان صحفي من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "يُعد عرض نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء باستخدام هياكل خفيفة الوزن خطوة مهمة نحو الطاقة الشمسية الفضائية والوصول إليها على نطاق واسع على مستوى العالم. وتُستخدم الألواح الشمسية بالفعل في الفضاء لتشغيل محطة الفضاء الدولية، على سبيل المثال، ولكن لإطلاقها ونشرها على نطاق واسع بما يكفي مصفوفات لتوفير الطاقة للأرض، يتعين على SSPP تصميم وإنشاء أنظمة نقل الطاقة الشمسية التي تتميز بخفة الوزن ورخيصة ومرونة".

وتزن كل وحدة SSPP حوالي 50 كيلوغراما (110 رطلا)، مقارنة بالأقمار الصناعية الدقيقة التي تزن عادة ما بين 10 و100 كغم (22 إلى 220 رطلا). ويتم طي كل وحدة في عبوات يبلغ حجمها حوالي 1 متر مكعب ثم تنتشر في مربع مسطح يبلغ قطره حوالي 50 مترا (164 قدما)، مع وجود خلايا شمسية على جانب واحد وأجهزة إرسال طاقة لاسلكية على الجانب الآخر.

وتعد مكونات SPPD-1 غير محكمة الغلق، ما يعني أنها تتعرض لتغيرات شديدة في درجات الحرارة في الفضاء. وإلى جانب إثبات أن أجهزة إرسال الطاقة يمكنها البقاء على قيد الحياة عند إطلاقها في الفضاء، فقد قدمت التجربة ملاحظات مفيدة لمهندسي SSPP.

وقال هاجيميري: "من خلال التجارب التي أجريناها حتى الآن، تلقينا تأكيدا على أن MAPLE يمكنها نقل الطاقة بنجاح إلى أجهزة الاستقبال في الفضاء. تمكنا أيضا من برمجة المصفوفة لتوجيه طاقتها نحو الأرض، والتي اكتشفناها هنا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. واختبرناها بالطبع على الأرض، لكننا نعلم الآن أنها تستطيع النجاة من الرحلة إلى الفضاء والعمل هناك".

ويتضمن MAPLE أيضا نافذة صغيرة يمكن للمصفوفة من خلالها إرسال الطاقة، والتي تم اكتشافها بواسطة جهاز استقبال في مختبر Caltech's Gordon وBetty Moore للهندسة. 

وقال هاجيميري: "على حد علمنا، لم يثبت أحد على الإطلاق نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء حتى مع وجود هياكل صلبة باهظة الثمن. إننا نقوم بذلك باستخدام هياكل مرنة وخفيفة الوزن ودوائر متكاملة خاصة بنا".

ويقوم الفريق الآن بتقييم أداء عناصر النظام الفردية عن طريق اختبار أنماط التداخل للمجموعات الأصغر وقياس الفرق بين التوليفات. وقد تستغرق هذه العملية ما يصل إلى ستة أشهر، ما يمنح الفريق متسعا من الوقت لاكتشاف المخالفات وتطوير حلول لإبلاغ الجيل القادم من الأقمار الصناعية الشمسية.

المصدر: ساينس ألرت