قد يصبح سطح القمر المُغبر قريبًا أكثر من مجرد تعلقه بأحذية رواد الفضاء، إذ قد يُزوّد المدن القمرية بالطاقة. أظهر باحثون مؤخرًا كيف يُمكن للخلايا الشمسية، المُصنّعة من غبار قمري مُحاكي، أن تُوفّر طاقة فعّالة ومقاومة للإشعاع دون الحاجة إلى نقل تكنولوجيا ثقيلة من الأرض.
لماذا يحتاج الفضاء إلى مصدر طاقة أخف؟
معظم الألواح الشمسية الفضائية الحالية فعّالة، لكنها ضخمة الحجم، ويتكلف إطلاقها ملايين الدولارات للكيلوجرام الواحد.
“إن الخلايا الشمسية المستخدمة في الفضاء الآن مذهلة، إذ تصل كفاءتها إلى ما بين 30% وحتى 40%، ولكن هذه الكفاءة تأتي بثمن”، كما أوضح الباحث الرئيسي فيليكس لانج من جامعة بوتسدام .
لدى فريقه حلٌّ أخفّ وزنًا، يقترحون تصنيع مكونات الخلايا الشمسية مباشرةً على القمر باستخدام الريجوليث، وهي مادة غبارية تُغطّي سطح القمر.
يؤدي هذا التغيير إلى خفض كتلة الإطلاق بنسبة 99.4%، وخفض التكاليف بنسبة 99%، وفتح خيارات جديدة للبنية الأساسية القائمة على القمر.
نُشرت الدراسة في مجلة Device .
بناء الخلايا الشمسية من تربة القمر
قام الفريق بصهر ريجوليث قمري مُحاكي وتحويله إلى زجاج قمري، حلّ هذا الزجاج محلّ الأغطية الأرضية التقليدية في الألواح الشمسية.
ثم أضافوا البيروفسكايت، وهو بلورة معروفة بتكلفتها المنخفضة وكفاءتها العالية. والنتيجة لوحة شمسية تنتج ما بين 22 و50 واط لكل غرام، وهو ما يفوق بكثير قدرة الأنظمة التقليدية.
أوضح لانج: “إذا خُفِّض وزنها بنسبة 99%، فلن تحتاج إلى خلايا شمسية فائقة الكفاءة بنسبة 30%، بل ستُنتَج منها كميات أكبر على سطح القمر. إضافةً إلى ذلك، تتمتع خلايانا بثبات أكبر ضد الإشعاع، بينما تتدهور الخلايا الأخرى بمرور الوقت”.
الخلايا المصنوعة من القمر تقاوم الإشعاع بشكل جيد
يوفر زجاج القمر حماية طبيعية من الإشعاع بفضل شوائب الحديد. بخلاف الزجاج القياسي الذي يُغمق في الفضاء، يبقى زجاج القمر ثابتًا. في اختبارات محاكاة الإشعاع الفضائي، حافظت الخلايا الشمسية المصنوعة من زجاج القمر على 99.6% من أدائها الأصلي – حتى بعد قصفها ببروتونات 68 ميجا إلكترون فولت.
لم تُلاحظ الدراسة أي مشاكل هيكلية كبيرة. التصاق البيروفسكايت جيدًا بزجاج القمر. حتى الأداء البصري كان قويًا. وصلت شفافية النسخ الأرق من زجاج القمر إلى 80%.
تعتبر هذه الميزات مهمة لأن انتقال الضوء العالي يحسن إنتاج الطاقة.
إعداد تصنيع بسيط ولكنه قوي
إن صناعة الزجاج القمري على القمر لن تتطلب آلات معقدة، يمكن لأشعة الشمس المركزة أن تُذيب الريجوليث وتحوّله إلى زجاج. يُفترض أن يقوم فرن شمسي صغير مزود بعدسات أو مرايا بهذه المهمة. يكفي كيلوغرام واحد من البيروفسكايت من الأرض وطن من تربة القمر لصنع 400 متر مربع من الألواح الشمسية.
هذا يكفي لتشغيل قواعد قمرية مبكرة، كتلك المخطط لها في برنامج أرتميس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية . وتقدر الدراسة استرداد الطاقة خلال نصف عام، أي أسرع بكثير من خلايا السيليكون، التي قد تستغرق ما يصل إلى عامين ونصف.
الألواح القمرية يمكن أن تضاهي كفاءة الأرض
بنى الفريق ثلاثة أنواع من تكوينات الخلايا الشمسية باستخدام زجاج القمر. استخدم أحد التصاميم قطبًا نحاسيًا معتمًا.
بلغت كفاءتها 8.6%، إذ كان امتصاص الضوء محدودًا عبر زجاج القمر السميك. استخدمت تصاميم أخرى موصلات معدنية أو أكسيدية شفافة للسماح بمرور المزيد من الضوء، مما أدى إلى تحسين الكفاءة بنسبة تصل إلى 12.3%.
باستخدام زجاج قمري أرق ومواد تلامس أفضل، تتوقع المحاكاة كفاءة تتراوح بين 21% و23%. وهذا يُضاهي الألواح التجارية المُصنّعة على الأرض، بينما يُصبح إنتاجها على القمر أسهل بكثير .
خلايا القمر تنجو من الإشعاع بشكل أفضل
الإشعاع على القمر أشدّ منه على محطة الفضاء الدولية. لكن البيروفسكايت معروف بمرونته.
بفضل زجاج القمر المقاوم للإشعاع، صمدت هذه الخلايا الشمسية أمام التعرض دون أي تأثير يُذكر على أدائها. وعلى عكس الزجاج القياسي، الذي يُشكّل مراكز لونية تحت الإشعاع، ظلّ زجاج القمر شفافًا.
يعود ذلك جزئيًا إلى شوائب الحديد في الزجاج. هذه الذرات الحديدية تحجز الإلكترونات والفجوات، مما يمنع تغير اللون. وهذا يُحاكي آلية عمل الزجاج المُشبّع بالسيريوم، ولكن دون الحاجة إلى إضافات نادرة.
لماذا لا نستخدم السيليكون فقط؟
كان صنع خلايا شمسية سيليكونية من غبار القمر حلمًا لعقود. لكن تحويل الريجوليث إلى سيليكون عالي النقاء يتطلب خطوات معقدة، إذ يتطلب معدات ثقيلة، وتنقية كيميائية، وتحكمًا دقيقًا. إضافةً إلى ذلك، تتحلل خلايا السيليكون بسرعة تحت تأثير الإشعاع.
في المقابل، يمكن تحضير زجاج القمر والبيروفسكايت بأدوات بسيطة، وتتميز هذه المواد بقدرة تحمل إشعاعية أعلى بكثير، كما أنها تتيح مرونة أكبر في التصميم وتكلفة إنتاج وصيانة أقل.
غبار القمر قد يغذي المنازل القمرية المستقبلية
قال لانج: “من استخراج الماء كوقود إلى بناء منازل بالطوب القمري، دأب العلماء على إيجاد طرق لاستخدام غبار القمر، والآن، يمكننا تحويله إلى خلايا شمسية أيضًا، مما قد يوفر الطاقة التي ستحتاجها مدينة قمرية مستقبلية”.
يشير عمل الفريق إلى مستقبل تُشغّل فيه قواعد القمر بمواد محلية، لن نحتاج إلى شحن أطنان من الزجاج أو الخلايا الشمسية من الأرض، ما علينا سوى جمع ما هو موجود تحت الأرض، وإذابته، والبدء بتوليد الطاقة.
قد لا تزال مدينة على القمر على بعد سنوات – ولكن شبكة الكهرباء الخاصة بها قد تكون تنتظر في الغبار بالفعل.
