مع توقع زيادة الطلب العالمي على الطاقة بنحو 50% بحلول عام 2050، يمكن أن تكون الطاقة الشمسية الفضائية أساسية للمساعدة في تلبية الطلب المتزايد على قطاع الطاقة في العالم ومعالجة ارتفاع درجة الحرارة العالمية.
حكومة المملكة المتحدة خصصت ميزانية كبيرة تصل إلى 16 مليار جنيه استرليني لمشروع بناء محطة طاقة شمسية في الفضاء، وترى الحكومة الإنجليزية أنه يساهم في تحقيق هدفها في الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050.
الطاقة الشمسية المعتمدة على الفضاء هي إحدى التقنيات التي سيتم عرضها في محفظة Net Zero Innovation الحكومية، وتم تحديده كحل محتمل، إلى جانب الآخرين، لتمكين المملكة المتحدة من تحقيق صافي صفر بحلول عام 2050.
لكن كيف ستعمل محطة طاقة شمسية في الفضاء؟
يقول جوفانا رادولوفيتش، رئيس كلية الهندسة الميكانيكية والتصميم بجامعة بورتسموث، عبر مقالة خاصة بموقع المنتدى الاقتصادي العالمى، إن الطاقة الشمسية الفضائية تتضمن تجميع الطاقة الشمسية في الفضاء ونقلها إلى الأرض، في حين أن الفكرة نفسها ليست جديدة، فإن التطورات التكنولوجية الحديثة جعلت هذا الاحتمال أكثر قابلية للتحقيق.
يتضمن نظام الطاقة الشمسية الفضائي قمرًا صناعيًا يعمل بالطاقة الشمسية – مركبة فضائية ضخمة مزودة بألواح شمسية، تولد هذه الألواح الكهرباء، والتي تنتقل بعد ذلك لاسلكيًا إلى الأرض من خلال موجات الراديو عالية التردد. يتم استخدام هوائي أرضي، يسمى المستقيم، لتحويل موجات الراديو إلى كهرباء، والتي يتم توصيلها بعد ذلك إلى شبكة الطاقة.
تضيء الشمس محطة طاقة شمسية قائمة على الفضاء في مدار 24 ساعة في اليوم، وبالتالي يمكن أن تولد الكهرباء باستمرار، يمثل هذا ميزة على أنظمة الطاقة الشمسية الأرضية (الأنظمة الموجودة على الأرض)، والتي يمكن أن تنتج الكهرباء فقط خلال النهار وتعتمد على الطقس.
العيوب والمزايا
تعتمد محطة الطاقة الشمسية الفضائية على تصميم معياري، حيث يتم تجميع عدد كبير من الوحدات الشمسية بواسطة الروبوتات في المدار، يعد نقل كل هذه العناصر إلى الفضاء أمرًا صعبًا ومكلفًا وسيؤثر على البيئة.
تم تحديد وزن الألواح الشمسية على أنه تحدٍ مبكر، ولكن تمت معالجة ذلك من خلال تطوير خلايا شمسية فائقة الخفة (تتكون الألواح الشمسية من خلايا شمسية أصغر).
واعتبر رادولوفيتش، أن الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء مجدية تقنيًا في المقام الأول، بسبب التقدم في التقنيات الرئيسية، بما في ذلك الخلايا الشمسية خفيفة الوزن ونقل الطاقة اللاسلكية وروبوتات الفضاء.
الأهم من ذلك، أن تجميع محطة طاقة شمسية واحدة فقط في الفضاء سيتطلب العديد من عمليات إطلاق مكوك الفضاء، على الرغم من أن الطاقة الشمسية الفضائية مصممة لتقليل انبعاثات الكربون على المدى الطويل، إلا أن هناك انبعاثات كبيرة مرتبطة بإطلاق الفضاء، فضلاً عن التكاليف.
وكشف رادولوفيتش، أنه لا يمكن إعادة استخدام مكوكات الفضاء حاليًا، على الرغم من أن شركات مثل Space X تعمل على تغيير ذلك، ستؤدي القدرة على إعادة استخدام أنظمة الإطلاق إلى تقليل التكلفة الإجمالية للطاقة الشمسية الفضائية بشكل كبير.
ويضيف رادولوفيتش: إذا تمكنا من بناء محطة طاقة شمسية فضائية بنجاح، فإن تشغيلها سيواجه العديد من التحديات العملية أيضًا، قد تتلف الألواح الشمسية بسبب الحطام الفضائي، علاوة على ذلك، فإن الألواح الموجودة في الفضاء لا يحميها الغلاف الجوي للأرض، إن التعرض لإشعاع شمسي أكثر كثافة يعني أنها ستتحلل بشكل أسرع من تلك الموجودة على الأرض، مما سيقلل من الطاقة التي يمكنها توليدها.
تعد كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية مشكلة أخرى. يعد نقل الطاقة عبر مسافات كبيرة – في هذه الحالة من قمر صناعي شمسي في الفضاء إلى الأرض- أمرًا صعبًا، بناءً على التكنولوجيا الحالية، سيصل جزء صغير فقط من الطاقة الشمسية المجمعة إلى الأرض.
المشاريع التجريبية جارية بالفعل
يقوم مشروع Space Solar Power Project في الولايات المتحدة بتطوير خلايا شمسية عالية الكفاءة بالإضافة إلى نظام تحويل ونقل مُحسَّن للاستخدام في الفضاء، اختبر مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية وحدة شمسية ونظام تحويل طاقة في الفضاء في عام 2020.
وفي الوقت نفسه، أعلنت الصين عن تقدم في محطة بيشان للطاقة الشمسية الفضائية، بهدف أن يكون لديها نظام فعال بحلول عام 2035.
في المملكة المتحدة، يُعتبر تطوير الطاقة الشمسية الفضائية بقيمة 16مليار جنيه إسترليني مفهومًا قابلاً للتطبيق استنادًا إلى تقرير Frazer-Nash Consultancy الأخير من المتوقع أن يبدأ المشروع بتجارب صغيرة تؤدي إلى محطة طاقة شمسية عاملة في عام 2040.
يبلغ قطر القمر الصناعي الذي يعمل بالطاقة الشمسية 1.7 كيلومتر ويزن حوالي 2000 طن، يشغل الهوائي الأرضي مساحة كبيرة – حوالي 6.7 كيلومتر في 13 كيلومتر، نظرًا لاستخدام الأراضي في جميع أنحاء المملكة المتحدة، فمن المرجح أن يتم وضعها في الخارج.
سيوفر هذا القمر الصناعي 2 جيجاواط من الطاقة إلى المملكة المتحدة، في حين أن هذه كمية كبيرة من الطاقة، إلا أنها مساهمة صغيرة في قدرة التوليد في المملكة المتحدة، والتي تبلغ حوالي 76 جيجاوات.
مع التكاليف الأولية المرتفعة للغاية وبطء العائد على الاستثمار، سيحتاج المشروع إلى موارد حكومية كبيرة بالإضافة إلى استثمارات من الشركات الخاصة.
ولكن مع تقدم التكنولوجيا، ستنخفض تكلفة الإطلاق الفضائي والتصنيع بشكل مطرد. وسيسمح حجم المشروع بالتصنيع الشامل، مما يؤدي إلى خفض التكلفة إلى حد ما.
ويختتم رادولوفيتش مقاله بقوله، يبقى أن نرى ما إذا كانت الطاقة الشمسية الفضائية يمكن أن تساعدنا على تحقيق صافي الصفر بحلول عام 2050. التقنيات الأخرى، مثل تخزين الطاقة المتنوعة والمرنة، والهيدروجين والنمو في أنظمة الطاقة المتجددة مفهومة بشكل أفضل ويمكن تطبيقها بسهولة أكبر.
على الرغم من التحديات، فإن الطاقة الشمسية الفضائية هي مقدمة لفرص بحث وتطوير مثيرة، في المستقبل، من المرجح أن تلعب التكنولوجيا دورًا مهمًا في إمدادات الطاقة العالمية.
