بحث

الطاقة الشمسية ، المستخرجة مباشرة من الفضاء. هل هذا ممكن؟

منذ أكثر من سبعين سنة ، في عام 1941 ، إسحاقكتب عظيموف قصة نقل فيها طاقة الشمس عبر أشعة الموجات الصغرية إلى الكواكب المجاورة بمساعدة محطة فضائية. مرت السنوات ، واليوم يحاول العلماء ترجمة هذا الخيال العلمي إلى حقيقة على الأرض. تم تطوير مفاهيم استخدام الطاقة الشمسية المستمدة من الفضاء أو مباشرة في الفضاء منذ منتصف القرن العشرين. العديد من المشاريع ينتظرون في الأجنحة.

الطاقة الشمسية هي المستقبل

باستخدام الطاقة الشمسية في الفضاء (SBSP) ، نحنيمكن أن تحل مشاكل الطاقة وغازات الدفيئة لدينا مع الحد الأدنى من التأثير البيئي. صرح البروفيسور سيرجيو بيليجرينو من Caltech مؤخرًا بأن الإنتاج الهائل للطاقة لنظام SBSP وحقيقة أن شمسنا ستعمل لمدة 10 مليارات سنة أخرى تشير إلى أن مصدر الطاقة لن ينفد منا لفترة طويلة.

واحدة من البحوث الأكثر شمولا ناسا للجميعالوقت ، تم تخصيص برنامج تطوير وتقييم مفهوم نظام الطاقة الساتلية ، على وجه التحديد إلى SBSP وتكلف أكثر من 50 مليون دولار ، وعقد من 1976 إلى 1980. آخر البحوث الأساسية التي تمولها وكالة ناسا لإعادة تقييم وفهم جدوى SBSP كانت تسمى أبحاث الطاقة الشمسية لاستكشاف الطاقة الشمسية. اشتملت الدراسة على قدر كبير من البحث العلمي القوي ، لكن النتيجة الإجمالية كانت كما يلي:

"SSP واسع النطاق معقد للغايةنظام متكامل للأنظمة التي تتطلب اختراقات كبيرة في التقنيات والقدرات الحديثة. لقد تم تطوير خارطة طريق تحدد المسارات المحتملة لتحقيق جميع الاختراقات الضرورية - وإن كان لعدة عقود. " - جون س. مانكينز ، 7 سبتمبر 2000.

من الواضح أن لا شيء واضح. دعونا نتعمق في أساسيات هذه التكنولوجيا الأسية وجدوى هذه التقنية.

ما هي الطاقة الشمسية المستمدة من الفضاء؟

الطاقة الشمسية ، المستخرجة في الفضاء ، هي مفهوم التقاط الطاقة الشمسية في الفضاء الخارجي ونقلها مباشرة إلى الأرض أو غيرها من الكواكب القريبة.

ببساطة ، يمكننا وضع بعضآلية في الفضاء الخارجي من أجل التقاط مستمر تقريبا للطاقة من الشمس ونقل هذه الطاقة إلى الأرض. يمكن أن يحدث هذا ليلا أو نهارا ، في المطر أو تحت سماء صافية. بمجرد أن نتلقى الطاقة على الأرض من أجل rectenna (هوائي خاص للطاقة) ، يمكننا بسهولة توزيعها باستخدام أساليبنا المعتادة. انها بسيطة جدا.

هناك الكثير من الأفكار المتعلقة بالتكوينوبنية آلية SBSP التي يمكن أن نستخدمها. إن موقع النظام وهندسة الأقمار الصناعية وجمع الطاقة ونقل الطاقة هي النقاط الرئيسية الرئيسية التي يجب مراعاتها عند فهم أنظمة SBSP المختلفة. نظرًا لعدد المفاهيم المقترحة ، سننظر في بعض الخيارات الأكثر وضوحًا فقط.

أين تضع نظام استخراج الطاقة الشمسية؟

متزامن مع الأرض ، متزامن مع الأرض ، (GSO)المدار والأرض المتوسطة (COO) والمدار الأرضي المنخفض (LEO) - هذه هي خيارات للنظر فيها. الأكثر واعدة هو GSO بسبب هندسية مبسطة ومحاذاة الهوائي فيما يتعلق بالاستقامة والقابلية للتطوير ونقل القدرة شبه المستمر. المشكلة الرئيسية لل GSO هي كمية كبيرة من الإشعاع. تشكل الأخطار الكونية العامة ، مثل الميكروميتوريت أو التوهجات الشمسية ، تهديدًا أيضًا.

هندسة الأقمار الصناعية

إنشاء مصانع القمر مع الكثير مننقل أو تطوير الكويكبات لتجميع أو تجميع الأقمار الصناعية SBSP - في أي حال ، فإن إنشاء مصانع فضائية مستقلة سيكون مهمة صعبة. سيتطلب أي بناء في الفضاء استخدام مواد محلية ومجانية (أي ، قمري) ، مع فرض قيود معينة على تعقيد الهياكل ، إذا ما قورنت بتلك التي يمكن بناؤها على الأرض.

إحدى التركيبات المثيرة للاهتمام التي نقوم ببنائها حاليًا على الأرض هي البطارية الشمسية المعيارية التي طورتها شركة Caltech و Northrop Grumann. مشاهدة الفيديو لها أدناه.

</ p>

مفهوم آخر مثير للاهتمام من شركة خاصةsolaren و. في المستقبل ، تعتزم إجراء تجربة لإنشاء محطة طاقة شمسية بسعة 250 ميجاوات في SBSP في مدار ثابت بالنسبة للأرض. في عام 2009 ، أبرمت Solaren اتفاقية مع أكبر شركة للطاقة في كاليفورنيا PG & E لتزويدها بالطاقة الشمسية الفضائية.

حتى ناسا مع مفهوم مجموعة مراحل كبيرة بشكل تعسفي (وضعت في عام 2012) قد جذبت الانتباه مؤخرا من جون س. مانكينز ، أحد الخبراء البارزين في SBSP في العالم.

كيف نجمع طاقة الشمس في الفضاء؟

مفهومان رئيسيان يرتبطان بالمجموعةالطاقة ، هي استخدام الخلايا الكهروضوئية (الخلايا الشمسية) أو الحرارة الشمسية. يمكنك التقاط حرارة الشمس (وبالتالي الطاقة) باستخدام المرايا لتركيز الضوء وتسخين السائل. البخار ، بدوره ، سيدور التوربينات ويولد الكهرباء. هذا المفهوم له ميزة وزن معينة على الألواح الشمسية ، لأنه يقلل من إجمالي الكتلة لكل واط. ومع ذلك ، في معظم المفاهيم ، من المفترض أن تستخدم خلايا ضوئية ذات إضاءة عالية وعالية الكفاءة.

كيف تنقل طاقة الشمس من الفضاء؟

الميكروويف انتقال السلطة هو خيار نموذجي فيتُعزى تصميمات SBSP إلى الكفاءة الإجمالية ، لكن استخدام نقل الطاقة باستخدام حزمة الليزر يعد خيارًا آخر مثيرًا للاهتمام بسبب انخفاض الوزن والتكلفة. ومع ذلك ، عند التفكير في شعاع ليزر قوي ، هناك خوف من إمكانية تحويله إلى سلاح فضائي (شعاع الموت). ومع ذلك ، يمكن بسهولة بروتوكولات الأمان القضاء على هذا التهديد. يمكن إنشاء تصميمات لتلبية جميع متطلبات مستويات آمنة من طاقة الميكروويف. لن يكون هناك تهديد لسكان المدن والكائنات الحية على طريق الأشعة إلى الأرض. من شأن التغذية الراجعة البسيطة بين الهوائي والمستقيم أن تسمح بخفض الإرسال إذا كان ينحرف عن الدورة.

الآن بعد أن فهمنا بشكل أفضل ماهية SBSP ، دعنا نتعمق في أكبر قيودها.

تكلفة التركيب

قد يبدو أن كل شيء جميل والشمسستكون مليارات السنين لتزويدنا بالطاقة المجانية. ومع ذلك ، هناك دائما الصيد. لقد لاحظنا بالفعل عددًا من مشكلات الأمان ، ولكن العقبة الرئيسية هي تكلفة شحن جميع المواد اللازمة لـ SBSP. تتراوح التقديرات الحالية لتكلفة إرسال حوالي 1 كجم من الحمولة إلى الفضاء من 9000 إلى 43000 دولار أمريكي ، اعتمادًا على الصواريخ والمركبات الفضائية المستخدمة.

إذا نظرنا فقط في إرسال الطاقة الشمسيةالألواح ، والحد الأدنى من الطيف لتكلفة إطلاق نظام SBSP الخفيف للغاية بسعة 4 ميجاوات هو 4000 طن متري. ولكن على الأرجح سيكون SBSP في حدود 80،000 طن متري.

درجة منخفضة: 4000 طن متري × 9000 دولار للكيلوغرام الواحد = 36،000،000،000 دولار

درجة عالية: 80،000 طن متري × 43،000 دولار للكيلوغرام الواحد = 3،440،000،000 دولار

على الرغم من أن هذه الأرقام ستكون تقريبية للغاية ، إلا أننالا يزال الحصول على قيمة تقريبية من 36 مليار دولار إلى 3.4 تريليون دولار. استخدام مصنع على سطح القمر أو كويكب يبدو فجأة رخيصًا.

نتائج أبحاث ناسا تظهر ذلكتعتبر الطاقة الشمسية الكونية "قابلة للحياة اقتصاديًا" إذا تقلبت تكاليف البدء ما بين 100 إلى 200 دولار للكيلوغرام الواحد. على الرغم من استمرار انخفاض الأسعار ، بما في ذلك بفضل صواريخ SpaceX القابلة لإعادة الاستخدام ، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه. ومع ذلك ، فإن هذا الاتجاه سوف يتبع قانون راي كورزويل بشأن العوائد المتسارعة ، وسيستمر سعر الإطلاق في الانخفاض من مليارات وملايين الدولارات.

وغني عن القول ، إن المشكلة ليست التكنولوجيا ، ولكن تكلفتها.

مستقبل الطاقة الشمسية

قدرة SBSP على توفير نظيفة وموثوق بهاالكهرباء لكوكب الأرض على مدار الساعة وسبعة أيام في الأسبوع أرخص من أي مصدر آخر هو حقيقي للغاية. لكن الأمر سيستغرق عقودًا من الاستثمار والتجميع والاختبار والتنفيذ الناجح قبل أن يبدأ النظام في دفع تكاليفه الأولية.

ومع ذلك ، فإن المناخ السياسي الصحيح هو عنصر أساسي لتعزيز SBSP كمصدر حقيقي للطاقة.

لماذا نحتاج إلى طاقة الشمس؟

إذا لم تؤخذ السياسة في الاعتبار ، بعد تلقي SBSP (أو الانصهار النووي) في العقد المقبل ، يمكننا تجسيد المفاهيم العلمية التالية:

  • مصاعد الفضاء وأبراج الفضاء
  • حلقات مدارية - استخدام المصاعد الفضائية ، وخلق حلقة حول الأرض بدلاً من محطة فضائية لحركة الشحن الرخيصة واستكشاف الفضاء
  • مجالات دايسون - الأصداف العملاقة التي تغطي النجم كله وتستوعب كامل إنتاجها من الطاقة
  • أدمغة التعشيش - دوائر Dyson النفخة لتحويل النجوم إلى أجهزة كمبيوتر ضخمة باستخدام الطاقة المنبعثة من جميع النجوم
  • حلقات العالم - الكواكب الاصطناعية باستخدام نجم كامل

هناك العديد من الخيارات. يبقى فقط لابتكارها وتطويرها. توحي بنفسك؟ نبدأ في موقعنا الدردشة في برقية.