تزودنا الألواح الشمسية الموجودة على الأرض بالفعل بمصدر نظيف للطاقة ، لكنها يمكن أن تكون وصمة عار على المناظر الطبيعية وتكون عديمة الفائدة عمليًا عندما يحل الظلام.
الآن ، قدم العلماء في كاليفورنيا حلاً – إرسال الألواح الشمسية إلى الفضاء حتى يتمكنوا من تسخير طاقة الشمس على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.
لأول مرة في العالم ، أرسل الباحثون الطاقة الشمسية إلى الأرض من مركبة فضائية تسمى MAPLE ، والتي تم إطلاقها في المدار في يناير.
تم تجهيز MAPLE بألواح شمسية يمكنها تحمل “البيئة القاسية للفضاء” ، بما في ذلك تقلبات درجات الحرارة البرية والإشعاع الشمسي.
يمكن أن ينتج عن “الطاقة الشمسية الفضائية” – وهو مفهوم ابتكره كاتب الخيال العلمي إسحاق أسيموف في عام 1941 – طاقة أكبر بثماني أضعاف من الألواح الشمسية في أي مكان على سطح الأرض.
فوق الأرض لا توجد غيوم ولا ليلاً أو نهارًا يمكن أن يعوق أشعة الشمس – مما يجعل محطة شمسية فضائية مصدرًا ثابتًا للطاقة الخضراء
يقود المشروع مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، والذي يهدف إلى حصاد الطاقة الشمسية في الفضاء ونقلها إلى سطح الأرض كمصدر دائم للطاقة.
يأمل الخبراء في أن تقدم بديلاً صديقًا للبيئة أفضل للوقود الأحفوري وحتى مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الحرارية الأرضية والرياح والنووية.
قال علي هاجيميري ، أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “من خلال التجارب التي أجريناها حتى الآن ، تلقينا تأكيدًا على أن MAPLE يمكنها نقل الطاقة بنجاح إلى أجهزة الاستقبال في الفضاء”.
لقد تمكنا أيضًا من برمجة المصفوفة لتوجيه طاقتها نحو الأرض ، وهو ما اكتشفناه هنا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
لقد اختبرناها بالطبع على الأرض ، لكننا نعلم الآن أنها تستطيع النجاة من الرحلة إلى الفضاء والعمل هناك.
تتكون الألواح الشمسية على الأرض من عدة “خلايا شمسية” – أجهزة صغيرة تحول الإشعاع من الشمس إلى كهرباء.
توجد الخلايا الشمسية على الأرض منذ أواخر القرن التاسع عشر وتولد حاليًا حوالي 4 في المائة من كهرباء العالم ، بالإضافة إلى تزويد محطة الفضاء الدولية بالطاقة.
لكن منتقدي التكنولوجيا يشيرون إلى أنهم لا يعملون في كثير من الأحيان في بلد يعاني من طقس ملبد بالغيوم لجزء كبير من العام ، مثل المملكة المتحدة.
المشاكل الأخرى المتعلقة بالتكنولوجيا بشكل عام هي أن هذه الألواح تشغل مساحة كبيرة ويمكن أن تكون قذرة للعين ، غالبًا على أرض خضراء يمكن تحريرها لاستخدامات أخرى.
لذلك طور فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا MAPLE ، وهي اختصار لمصفوفة الميكروويف لتجربة المدار المنخفض لنقل الطاقة ، والتي تم إطلاقها على متن مهمة ترانسبورتر -6 من كيب كانافيرال في 3 يناير.
عرض الفنان لما يبدو عليه متظاهر الطاقة الشمسية في الفضاء لفريق Caltech عند الكشف عنه
يقول الفريق إن MAPLE يتكون من مجموعة من أجهزة إرسال طاقة الميكروويف المرنة وخفيفة الوزن التي تعمل بشرائح إلكترونية مصنوعة باستخدام السيليكون منخفض التكلفة.
يجب أن تكون مرنة حتى يمكن طيها في حزمة يمكن نقلها في صاروخ ثم تتكشف مرة واحدة في المدار ، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا.
تقوم أجهزة إرسال MAPLE بتحويل الطاقة الشمسية إلى شكل يمكن أن ينتقل إلى الأرض ، مثل الليزر أو ، في هذه الحالة ، الموجات الدقيقة.
يمكن لمجموعة أجهزة الإرسال إرسال الطاقة إلى المواقع المرغوبة ، مثل محطة استقبال على الأرض تغذي الطاقة في الشبكة الوطنية.
في العالم الأول ، تم اكتشاف الطاقة المنقولة من MAPLE بواسطة جهاز استقبال على سطح مبنى في حرم معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا ، كاليفورنيا.
ظهرت الإشارة المستقبلة في “الوقت والتردد المتوقعين” ، وفقًا للخبراء ، وكان لها التغيير الصحيح في التردد كما هو متوقع بناءً على سفرها من المدار.
قال البروفيسور هاجيميري: “على حد علمنا ، لم يثبت أحد على الإطلاق نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء حتى مع وجود هياكل صلبة باهظة الثمن”.
“نحن نقوم بذلك باستخدام هياكل مرنة وخفيفة الوزن ودوائر متكاملة خاصة بنا – وهذا هو الأول.”
يتصور الأكاديميون في نهاية المطاف “كوكبة” من المركبات الفضائية التي تجمع ضوء الشمس وتحوله إلى كهرباء ، ثم تنقل هذه الكهرباء لاسلكيًا عبر مسافات طويلة حيثما تكون هناك حاجة إليها.
قد يكون هذا مهمًا بشكل خاص للأماكن التي لا تتوفر لها حاليًا إمكانية الوصول إلى طاقة موثوقة ، مثل البلدان النامية.
من غير الواضح ما الذي سيحدث للمركبة الفضائية MAPLE التي تدور في مدار الآن ، أو ما إذا كانت ستشكل أساس هذه الكوكبة.
صورة من مساحة الجزء الداخلي من MAPLE ، مع مجموعة الإرسال إلى اليمين والمستقبلات إلى اليسار
الكشف عن الطاقة من MAPLE على سطح مختبر Gordon و Betty Moore للهندسة في حرم Caltech في باسادينا ، كاليفورنيا
ومع ذلك ، فإن التكنولوجيا ليست جاهزة تمامًا لاعتمادها على نطاق واسع ، وفقًا لفريق Caltech ، حيث يجب إعادة التفكير في توليد الطاقة الشمسية ونقلها لاستخدامها على نطاق واسع في الفضاء.
الألواح الشمسية ضخمة وثقيلة ، مما يجعل إطلاقها مكلفًا ، وتحتاج إلى أسلاك مكثفة لنقل الطاقة.
يقوم فريق البروفيسور هاجيميري الآن بتقييم أداء العناصر الفردية داخل النظام – وهي “عملية مضنية” يمكن أن تستغرق ما يصل إلى ستة أشهر.
بمجرد اكتماله ، سيسمح للفريق بفرز المخالفات وتتبعها مرة أخرى إلى الوحدات الفردية ، مما يوفر نظرة ثاقبة للجيل القادم من النظام.
معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ليس وحده في جهود الطاقة الشمسية الفضائية ؛ تدرس حكومة المملكة المتحدة أيضًا جدوى بناء محطات طاقة شمسية في الفضاء.
في عام 2020 ، كلفت بإجراء بحث جديد في مفهوم محطات الطاقة الشمسية هذه كوسيلة لتلبية احتياجات الأرض المتزايدة من الطاقة.