«توان خورشیدی فضایی»: آینده‌ای به سوی انرژی بی‌پایان

مفهوم جمع‌آوری انرژی خورشیدی از فضا و انتقال آن به زمین، که به نام «توان خورشیدی فضایی» (SBSP)  شناخته می‌شود، از دهه 1970 توجه دانشمندان و مهندسان را جلب کرد. با این حال، پیشرفت‌های اخیر فناوری و سرمایه‌گذاری‌های بخش خصوصی، پتانسیل این فناوری را دوباره زنده کرده است. مزیت اصلی انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، توانایی جمع‌آوری انرژی خورشیدی بدون مداخله جو زمین، شرایط آب‌وهوایی، ابرها یا چرخه‌های شبانه‌روز است. در فضا، تابش ثابت و بدون مانع خورشید، «توان خورشیدی فضایی» را به منبع انرژی نامحدود تبدیل می‌کند.

فشار برای توسعه «توان خورشیدی فضایی» ناشی از تقاضای روزافزون جهانی منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر است. سیستم‌های انرژی سنتی که به سوخت‌های فسیلی وابسته‌اند، پایدار نیستند و به تخریب محیط‌زیست کمک می‌کنند. «توان خورشیدی فضایی» می‌تواند تامین انرژی تقریبا نامحدودی ارائه دهد، به‌ویژه زمانی که منابع زمین رو به کاهش است. با افزایش نیاز به انرژی پاک، سیستم‌های «توان خورشیدی فضایی» نقشی اساسی در مقابله با چالش‌های محیط‌زیستی و اقتصادی خواهند داشت.

طرح‌های بلندپروازانه‌ای هم برای کاربرد عملی «توان خورشیدی فضایی» در آینده نزدیک وجود دارد. دولت‌ها، آژانس‌های فضایی و شرکت‌های خصوصی با هم همکاری می‌کنند تا با هدف انقلاب در نحوه تامین انرژی برای شهرها و صنایع، مرزهای جمع‌آوری و انتقال انرژی فضایی را گسترش دهند.

پروژه‌های پیشگام «توان خورشیدی فضایی»

در حال حاضر چندین شرکت پروژه‌های پیشگامانه‌ای را برای استفاده از «توان خورشیدی فضایی» پیش می‌برند. شرکت «نورتروپ گرومان» (Northrop Grumman) با  پروژه «مینی‌دی» (Mini-Day) که به سفارش نیروی هوایی ایالات متحده آغاز شده است یکی از این شرکت‌ها است. هدف «مینی‌دی» نشان دادن قابلیت انتقال بی‌سیم انرژی از فضا و ایجاد یک نمونه اولیه عملیاتی در مدار تا سال 2025 است. این پروژه توسط قراردادی به ارزش 100 میلیون دلار از سوی نیروی هوایی ایالات متحده حمایت می‌شود. احتمالا موفقیت این پروژه می‌تواند منجر به توسعه سیستم‌های انرژی قابل‌اعتماد و مقیاس‌پذیر برای استفاده‌های نظامی و تجاری خواهد شد.

این شرکت در حال توسعه پنل‌های «فتوولتائیک» (photovoltaic) فضایی است که برای جمع‌آوری انرژی خورشیدی در فضا و تبدیل آن به انرژی مایکروویو برای انتقال بی‌سیم انرژی طراحی شده‌اند. فناوری انتقال مایکروویو بسیار مهم است، زیرا امکان انتقال ایمن انرژی از طریق جو به گیرنده‌های مستقر در زمین را فراهم می‌کند.

ژاپن یکی دیگر از پیشگامان جهانی در تحقیقات «توان خورشیدی فضایی» است و «آژانس فضایی ژاپن» (JAXA) در خط مقدم این تحقیقات قرار دارد. «آژانس فضایی ژاپن» از پنل‌های «فتوولتائیک» نصب‌شده بر روی ماهواره‌ها استفاده می‌کند و تمرکز آن بر انتقال انرژی به وسیله امواج مایکروویو برای ارسال انرژی به زمین است.

این موسسه آزمایش‌های موفقی در زمینه انتقال انرژی از طریق مایکروویو انجام داده که هدف آن دستیابی به یک سیستم کاملا عملیاتی تا سال 2030 است. هزینه این پروژه به طور عمومی اعلام نشده، اما مقیاس پروژه از جمله هزینه پرتاب ماهواره‌ها و زیرساخت‌های مورد نیاز، نشان‌دهنده سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی است. هدف بلندمدت این پروژه تامین انرژی جهانی از طریق «توان خورشیدی فضایی» است.

پروژه بزرگ بعدی توسط چین اجرا می‌شود. چین به‌طور چشمگیری در «توان خورشیدی فضایی» سرمایه‌گذاری کرده است و اهداف بلندی برای دهه‌های آینده دارد. برنامه آنها شامل راه‌اندازی یک ایستگاه انرژی آزمایشی یک مگاواتی تا سال 2030  و یک مزرعه خورشیدی تجاری یک گیگاواتی در فضا تا سال 2050 است. دولت چین قبلا آزمایش‌های موفقی را با استفاده از بالن‌ها در ارتفاعات بالا برای شبیه‌سازی انتقال انرژی انجام داده است.

تمرکز پروژه‌های چین بر پنل‌های «فتوولتائیک» برای جمع‌آوری انرژی خورشیدی در مدار است. آنها همچنین در حال آزمایش سیستم‌های انتقال انرژی مایکروویو به زمین هستند. فناوری «متمرکزکننده خورشیدی» (solar concentrator) هم بخشی از برنامه‌های آینده آنها برای افزایش کارایی جمع‌آوری انرژی است.

پروژه «سیستم‌های انرژی خورشیدی فضایی» (SSPS) هم در موسسه آمریکایی «کالتِک» (Caltech) یکی از بزرگترین تلاش‌های دانشگاهی در این زمینه است. در ژوئن 2023، این موسسه موفق شد تا از طریق انتقال بی‌سیم 100 وات انرژی از فضا به زمین منتقل کند. این پروژه توسط کمک‌هزینه 100 میلیون دلاری بنیاد «آیرون» حمایت می‌شود و قرار است تا سال 2027 به مقیاس‌های بزرگتر گسترش یابد.

«کالتِک» از پنل‌های «فتوولتائیک» سبک‌وزن استفاده می‌کند که برای کار در فضا طراحی شده‌اند. این پنل‌ها با فناوری انتقال انرژی مایکروویو ترکیب شده‌ و این امکان را فراهم می‌کنند که انرژی از فضا به گیرنده‌های مستقر در زمین ارسال شود.

همچنین پروژه «سولاریس» (Solaris) که تحت هدایت «آژانس فضایی اروپا» (ESA) انجام می‌شود، بر توسعه فناوری‌های کلیدی مورد نیاز برای «توان خورشیدی فضایی» متمرکز است. این پروژه با سرمایه‌گذاری 17 میلیون یورویی درحال انجام مطالعات امکان‌سنجی است و هدف آن توسعه یک سیستم انرژی خورشیدی مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه است که می‌تواند تا سال 2050، 10درصد از برق اروپا را تامین کند.

«آژانس فضایی اروپا» در حال کار بر روی پنل‌های «فتوولتائیک» و «متمرکزکننده‌های خورشیدی» است که می‌توانند در فضا مستقر شده و انرژی خورشیدی را جمع‌آوری کنند. این انرژی از طریق پرتوهای مایکروویو به زمین ارسال خواهد شد، که یکی از روش‌های پرمطالعه انتقال انرژی است.

تمامی برنامه‌های عمده انرژی خورشیدی فضایی به شدت به پنل‌های «فتوولتائیک» و انتقال انرژی مایکروویو وابسته‌اند و برخی از آنها در حال بررسی «متمرکزکننده‌های خورشیدی» هستند. این فناوری‌ها برای جمع‌آوری و انتقال موثر انرژی خورشیدی در فضا حیاتی است. هر یک از پروژه‌ها این فناوری‌های اصلی را برای دستیابی به اهداف خاص خود تطبیق می‌دهد، اما اصول اصلی جمع‌آوری انرژی فتوولتائیک و انتقال بی‌سیم انرژی همچنان نقش اساسی در موفقیت آنها دارد.

فناوری‌های پایه برای «توان خورشیدی فضایی»

انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا بر ترکیبی از فناوری‌های پیشرفته استوار است که برای جمع‌آوری، تبدیل و انتقال انرژی از فضا طراحی شده‌اند. یکی از این روش‌ها «پنل‌های خورشیدی فضایی» یا «صف‌های فتوولتائیک» (Photovoltaic Arrays) است.

«پنل‌های خورشیدی فضایی»، نوعی سلول‌های فتوولتائیک بزرگ هستند که بر روی ماهواره‌ها یا ساختارهای موجود در مدار نصب می‌شوند. این پنل‌ها می‌توانند انرژی خورشید را به‌طور مستقیم بدون مداخله جو جمع‌آوری کنند. برخلاف سلول‌های خورشیدی زمینی که تحت تاثیر وضعیت آب‌وهوا و روز و شب قرار دارند، «پنل‌های خورشیدی فضایی» به‌طور مداوم انرژی دریافت می‌کنند. انرژی جمع‌آوری‌شده توسط این پنل‌ها می‌تواند به مایکروویو یا لیزر تبدیل شده و به زمین پرتاب شود.

اولین ویژگی «پنل‌های خورشیدی فضایی» بهره‌وری بالای آنهاست؛ این پنل‌های می‌توانند 8 تا 12 برابر بهره‌ورتر از پنل‌های زمینی باشند. روش بکارگیری این پنل‌ها هم پیشگامانه است، این پنل‌ها به‌صورت بسته با موشک‌های ماهواره‌بر در مدار مستقر شده و سپس به صورت بادبانی گسترده می‌شوند.

چندین کشور از جمله ایالات متحده و ژاپن در حال آزمایش و ساخت نمونه‌های اولیه «پنل‌های خورشیدی فضایی» هستند و هدف آنها نشان دادن سیستم‌های عملیاتی در دهه آینده است.

فناوری بعدی «متمرکزکننده‌های خورشیدی» است که از آینه‌ها یا لنزهای بزرگ برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی یک سلول «فتوولتائیک» کوچک و با کارایی بسیار بالا استفاده می‌کنند. این سیستم وزن و هزینه ساخت پنل‌های خورشیدی مورد نیاز را با استفاده از سلول‌های کمتر، اما قوی‌تر کاهش می‌دهد.

از نظر کارایی، این سیستم‌ها می‌توانند انرژی خورشیدی را در مناطق کوچک متمرکز کرده و چگالی انرژی آنها را بیشتر ‌کنند. این به معنای کوچکتر، کم وزن‌تر و پرانرژی‌تر بودن سلول‌های ذخیره انرژی است. نمونه‌های اولیه این تکنولوژی درحال ساخته شدن است و چندین آژانس فضایی درحال تحقیق و توسعه بیشتر آن هستند تا مدل‌های عملیاتی در دهه 2030 قابل استفاده باشد.

تکنولوژی‌های انتقال انرژی از فضا به زمین هم یکی از چالش‌برانگیزترین جنبه‌های «توان خورشیدی فضایی» است. چندین روش برای این انتقال وجود دارد. «انتقال مایکروویو» رایج‌ترین روش مطالعه‌شده است. انرژی جمع‌آوری‌شده توسط پنل‌ها به مایکروویو تبدیل شده و سپس به سطح زمین ارسال می‌شود، توسط آنتن‌های زمینی دریافت شده و دوباره به برق تبدیل می‌شود. در این نوع فناوری، انتقال از روش لیزر هم صورت می‌گیرد. لیزرها می‌توانند انرژی را با دقت بالاتر و تلفات کمتر در مسافت‌های طولانی انتقال دهند.

انتقال فرکانس رادیویی هم یکی دیگر از روش‌های در حال توسعه است، هرچند که کارایی آن کمتر از مایکروویو و لیزرها است. کارایی فعلی انتقال انرژی در این روش حدود 5 تا 10 درصد است، اما محققان در حال کار بر روی بهبود این سیستم‌ها هستند. در روش‌های جدید فناوری، انرژی در فضا تبدیل به امواج مایکروویو شده و از طریق فرکانس‌های رادیویی به زمین ارسال می‌شود.

تکنولوژی مهم دیگر ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی است. این ذخیره‌سازی برای «توان خورشیدی فضایی» بسیار حیاتی است. پس از انتقال انرژی به زمین، انرژی ذخیره‌سازی شده و به اشکال قابل‌استفاده تبدیل شود. باتری‌های حالت جامد پیشرفته و سلول‌های سوختی هیدروژنی، فناوری‌های کلیدی هستند که می‌توانند انرژی خورشیدی را برای استفاده‌های بعدی ذخیره کنند.

انرژی خورشیدی به‌طور الکتریکی (باتری‌ها) یا شیمیایی (هیدروژن) ذخیره می‌شود. باتری‌های حالت جامد دارای چگالی انرژی بالا و چرخه عمر طولانی‌تری هستند، در حالی که سلول‌های سوختی هیدروژنی می‌توانند انرژی خورشیدی را به‌صورت شیمیایی ذخیره کرده تا در زمان مناسب استفاده شود.

آینده انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا

آینده انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا به پیشرفت در چندین حوزه کلیدی وابسته است. اولین چالش، کاهش هزینه پرتاب محموله‌ها به فضاست که نیازمند بهبود فناوری‌های موشکی است. شرکت‌هایی مانند SpaceX در تلاش هستند تا این هزینه‌ها را کاهش دهند و سیستم‌های انرژی فضایی را مقرون‌به‌صرفه کنند.

علاوه بر این، فناوری‌های انتقال انرژی همچنان باید بهبود یابند تا کارایی و ایمنی آنها تضمین شود. پرتوهای مایکروویو و لیزر باید به دقت کنترل شوند تا از آسیب به محیط‌زیست یا سلامت انسان جلوگیری شود. همچنین همکاری‌های بین‌المللی برای ایجاد چارچوب‌های نظارتی درباره این تکنولوژی‌ها ضروری است.

پیش‌بینی می‌شود که اولین سیستم‌های عملیاتی «توان خورشیدی فضایی» در دهه 2030 با استقرار ایستگاه‌های آزمایشی در مقیاس کوچک آغاز شوند. در ابتدا و پیش از گسترش به کاربردهای تجاری، احتمالا این سیستم‌ها برای کاربردهای نظامی یا تامین انرژی مناطق دورافتاده استفاده خواهند شد، اما پتانسیل این فناوری بی‌پایان است و می‌تواند روش‌های تولید و مصرف انرژی را دگرگون کند. با پیشرفت در اکتشاف فضایی، انتقال انرژی و ذخیره‌سازی، انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا می‌تواند نقشی حیاتی در برآورده کردن تقاضای انرژی جهانی ایفا کند.