نیروگاه خورشیدی فضایی: از داستانی تخیلی تا واقعیت!

نیروگاه‌های خورشیدی مستقر در فضا علاوه‌ بر کمک به برق‌رسانی به مناطق محروم و تعادل در شبکه توزیع به منظور جلوگیری از قطعی برق، می‌تواند برای اکتشافات آتی در سیاره‌های دیگر و مهیاسازی شبکه‌های توزیع در آن‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

انرژی خورشیدی به یکی از نقش‌های اصلی در سناریو‌ی جایگزینی سوخت‌های فسیلی با منابع انرژی پاک تبدیل شده است. جوامع مختلف سیاست توسعه روزافزون نیروگاه‌های برق خورشیدی را دنبال می‌کنند و مردم بسیاری در سراسر دنیا برق مصرفی خانه‌های خود را به وسیله پنل‌های خورشیدی تأمین می‌کنند.

اما این منبع شگفت‌انگیز یک محدودیت اساسی دارد؛ ناکارآمدی در شب‌. پنل‌های خورشیدی برای ارائه بیشترین بازده به تابش هرچه بیشتر نور خورشید نیاز دارند. بنابراین به منظور افزایش کارآیی پنل‌های خورشیدی، پژوهشگران در حال بررسی امکان استقرار این پنل‌ها در مکانی که خورشید هیچوقت غروب نمی‌کند، هستند؛ خارج از جو زمین!

از دید تئوری، اگر تعدادی از پنل‌های خورشیدی در مداری خارج از جو زمین معلق باشند، حتی در ابری‌ترین روزها و تاریک‌ترین شب‌ها، در معرض همیشگی نور خورشید خواهند بود و می‌توانند مقادیر عظیمی از انرژی را ذخیره کنند. اگر این انرژی به صورت وایرلس به زمین ارسال شود، سیاره‌ی ما می‌تواند ۲۴ ساعته از این منبع پاک و بی‌پایان انرژی بهره ببرد و در نتیجه آثار انتشار کربن به طرز چشمگیری کاهش خواهد داشت.

دکتر مایکل کلزنبرگ (Michael Kelzenberg) از مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) در این‌باره می‌گوید:

«مزیت اصلی انرژی خورشیدی فضایی، توانایی ارسال شبانه‌روزی برق حاصل از انرژی خورشیدی به زمین است.»

در شرایطی که بحران زیست‌محیطی در حال وخیم‌تر شدن است، تحقق نیروگاه‌های خورشیدی فضایی می‌تواند بسیار بااهمیت باشد. بحران اقلیمی زمین که این روز‌ها به دلیل اجلاس تغییرات اقلیمی سازمان ملل در اسکاتلند در سرخط اخبار به چشم ‌می‌خورد، در حال نزدیک‌شدن به نقطه‌ا‌‌ی نگران‌کننده‌ است و بسیاری معتقدند این نشست آخرین شانس جهان جهت سیاست‌گذاری کلان برای کنترل این بحران است.

فناوری‌های مدرن از جمله نیروگاه‌ خورشیدی فضایی قادر به حل مشکلات محیط زیستی ما نیستند اما کاهش سریع کربن متصاعد شده از نیروگاه‌های برق، ضرورتی انکار ناپذیر است. فناوری‌های سازگار با محیط زیست می‌تواند در مسیر تحقق اهداف توافق‌نامه پاریس(محدودسازی گرمایش زمین به کمتر از ۲ درجه سانتیگراد تا انتهای قرن جاری میلادی) راه‌گشا باشد. تأمین نامحدود انرژی تجدیدپذیر از خورشید ممکن است به ما در رسیدن به این اهداف کمک کند.

از یک داستان علمی تخیلی تا واقعیت

برای دهه‌ها، فرضیه‌ی استفاده از انرژی خورشیدی فضایی در ذهن دوستداران داستان‌های علمی تخیلی و همچنین دانشمندان جاری بوده است.

در اوایل قرن 20 میلادی، دانشمند و ریاضیدان روس، کنستانتین سیلکوفسکی مدام از چشم‌اندازهایی بلندپروازانه از کاربرد فناوری‌‌های مدرن در فضای خارج از جو زمین صحبت می‌کرد. طرح‌ اولیه‌ بالابر‌های فضایی، موشک‌های هدایت‌شونده و نیروگاه‌های برق خورشیدی فضایی توسط او مطرح شده است.

از زمان اختراع اولین پنل خورشیدی در آزمایشگاه بل (Bell Labs) در دهه‌ی 50 میلادی، دانشمندان زیادی در حال تلاش برای تبدیل طرح علمی تخیلی سیلکوفسکی به واقعیت بوده‌اند. در این میان پژوهشگران ژاپنی، ارتش ایالات متحده و یک گروه از مؤسسه فناوری کالیفرنیا در «پروژه انرژی خورشیدی فضایی» پیشگام هستند.

به گفته‌ی دکتر کلزنبرگ، پژوهشگر ارشد این پروژه، استفاده از انرژی خورشیدی در فضا به‌طور گسترده در اواخر دهه‌ی ۶۰ و دهه‌ی 70 میلادی، به‌خصوص در روزهای اوج برنامه فضایی آپولو، مورد بررسی قرار گرفت.

متاسفانه به دلیل وزن و توده‌ی مواد مورد استفاده در پنل‌های خورشیدی، تکنولوژی آن دوره برای اجرای مقرون‌به‌صرفه‌ی این پروژه‌ی عظیم به اندازه کافی پیشرفته نبوده است. فرستادن پنل‌های خورشیدی کلاسیک به وسیله موشک به فضا بدون صرف منابع هنگفت مالی تقریبا غیرممکن بوده است.

پروفسور هری اتواتر (Harry Atwater) محقق اصلی پروژه می‌گوید:

ویژگی خاص و تعیین‌کننده‌ای که ما در این پروژه در Caltech به دنبال آن هستیم کاهش ۱۰ تا ۱۰۰ برابری جرم اجزای تشکیل‌دهنده پنل‌های خورشیدی است. برای آنکه این پروژه اقتصادی باشد لازم است که هزینه‌های ساخت پنل‌ها و همچنین ارسال آن‌ها به فضا کاهش یابد.

آسمانی پر از پنل‌های خورشیدی

این گروه پژوهشی به دنبال ساخت پنل‌هایی سبک‌تر، کم‌حجم‌تر و انعطاف‌پذیر برای ارسال به خارج جو زمین است و پیشنهاد می‌کند که تعداد زیادی از این پنل‌های کوچک و سبک که شبیه کاشی هستند به مدار مورد نظر ارسال شوند.

هر قطعه به‌طور مجزا همه‌ی اجزای لازم برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به الکتریسیته را در خود دارد. این قطعات با اتصال به یکدیگر در فضا، معادنی معلق و غول‌پیکر از انرژی تجدید‌پذیر در اطراف زمین ایجاد می‌کنند.

اگرچه جست‌وجو میان گستره‌ای از ترکیبات به منظور به حداقل رساندن وزن این ساختار‌ها در جریان است، ممکن است بازده تبدیل انرژی آن نسبت به پنل‌های خورشیدی روی زمین کمتر باشد. اما معیار کارآمد بودن در فضا در مقایسه با زمین متفاوت است. دکتر کلزنبرگ می‌گوید:

افزایش کارآمدی پنل‌ها از این جهت است که با قرار گرفتن آن‌ها در فضا در معرض مقدار زیادی نور شدید خورشید قرار می‌گیرند؛ چراکه در این شرایط تابش‌های خورشید از جو زمین عبور نمی‌کند و همچنین پنل‌های به صورت شبانه‌روزی نور خورشید را دریافت می‌کنند.

زمانی که خورشید به این پنل‌ها می‌تابد، این قطعات مقادیر زیادی جریان مستقیم (DC) و در نتیجه انرژی الکتریسته تولید می‌کند. در سازوکار مورد نظر این گروه پژوهشی، این انرژی به امواج رادیویی تبدیل می‌شوند. قدم بعدی ارسال این انرژی به زمین خواهد بود.

به گفته‌ی این گروه،‌ ارسال انرژی به زمین از طریق تابش‌ ماکروویو ممکن خواهد شد. امواج رادیویی حامل انرژی ارسالی به زمین توسط گیرنده‌های ماهواره‌ای دریافت می‌شود. این همان مکانیزم انتقال وایرلس انرژی است که در اواخر قرن ۱۹ میلادی توسط نیکولا تسلا به آن اشاره شده بود.

استفاده از روش انتقال تابشی انرژی به سیستم این امکان را می‌دهد که در مه و باران، در تاریکی شب و حین طوفان‌های نه‌چندان شدید شرایط کارکردن داشته باشد. اگرچه هرگاه صحبت از الگوهای تابش وایرلس به میان می‌آید، نگرانی‌هایی در مورد تأثیرات این امواج بر موجودات روی زمین مطرح می‌شود.

پروفسور اتواتر در جواب به این نگرانی‌ها، می‌گوید:

مقدار توان دریافتی از این تابش‌ها در سطح زمین معادل توانی است که نور خورشید در یک روز آفتابی به سطح زمین دارا است. در عین حال این سیستم‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که کاملا بی‌خطر باشند.

پس از دریافت امواج رادیویی حامل انرژی توسط گیرنده‌های مستقر در زمین، این امواج در یک ایستگاه زمینی دوباره به جریان مستقیم و در ادامه به جریان متناوب (AC) برق تبدیل می‌شود و در نهایت به شبکه توزیع منتقل می‌شود.

اولین سفر فضایی این گروه اواخر سال ۲۰۲۲ به وسیله‌ی سفینه‌ای تجاری انجام خواهد شد. در این سفر آزمایشی کارآمدی اجزای مختلف این سیستم در مقیاسی کوچک‌تر مورد آزمایش خواهد گرفت. تعدادی پنل‌ خورشیدی نیز در شرایط خلأ فضای خارج جو مورد امتحان می‌شوند.

این تکنولوژی در عین کمک به برق‌رسانی به مناطق محروم و تعادل در شبکه توزیع به منظور جلوگیری از قطعی برق، می‌تواند برای اکتشافات آتی در سیاره‌های دیگر و مهیاسازی شبکه‌های توزیع در آن‌ها مورد استفاده قرار گیرد. مهم‌تر از همه اینکه انرژی که در طول ۲۴ ساعت بشر می‌تواند از خورشید دریافت کند، برای تأمین کل تقاضای برق زمین کافی‌ است و دیگر به نیروگاه‌های زغال‌سنگ و هسته‌ای نیازی نخواهد بود. این فناوری در صورت تحقق کامل، نقشی اساسی در آینده‌ی بدون کربن زمین ایفا خواهد کرد.