استجابة للدعوات المُلحة لاستكشاف مصادر جديدة للطاقة البديلة، ظهرت برامج عديدة لاستغلال الطاقة الشمسية في الفضاء ونقلها إلى الأرض. من هذه البرامج برنامج “سولاريس” الأوروبي، والبرنامج السعودي البريطاني المشترك، ومشروع “جاكسا” الياباني، والمشروع الصيني وغيره. لكن الذي برز في الآونة الأخيرة بينها جميعًا، هو مشروع ضخم نفّذه في الفضاء معهد كاليفورنيا للتقنية في الولايات المتحدة. فقد باشر المعهد فعليًا تجاربه الأولى، ونجح بنقل أول كمية من الطاقة الشمسية لاسلكيًا إلى الأرض. إنه تطورٌ مهمٌ ومفرحٌ للغاية، ولربما وضع البشرية على أبواب مرحلة حضارية جديدة.
من المثير للاهتمام أنه قبل سنواتٍ قليلةٍ كان موضوع نقل الطاقة الشمسية الفضائية إلى الأرض يُعد بمنزلة خيال علمي. وهكذا نشرت القافلة في عدد نوفمبر/ديسمبر 2017م، مقالة عنوانها: “الطاقة الشمسية الفضائية: استيراد وهج الشمس”، في باب “العلم خيال”. تحول هذا الخيال، الذي كان بعيد المنال، إلى واقع ملموس في غضون وقت قصير، وأصبحنا نكتب مقالات حول كيفية تحققها على أرض الواقع. هذا يؤكد الوتيرة السريعة للتقدُّم العلمي والتكنولوجي، الذي يزودنا بالأمل في مستقبل نظيف وصحي.
أهمية الطاقة الشمسية
تُعدّ الطاقة الشمسية أحد المصادر الرئيسة للطاقة المتجددة، وتلعب دورًا مهمًا في تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، والتخفيف من حدة التغيرات المناخية، والمحافظة على الموائل الطبيعية، وهذه الأمور بالغة الأهمية من أجل الصحة العامة والاستدامة البيئية والمحافظة على كوكب الأرض.
تسطع أشعة الشمس على كوكبنا كل يوم، وهي كافية، لو أمكن استغلالها بتكلفة معقولة، لتوفير احتياجات البشرية من الطاقة. فوفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية، فإن كمية ضوء الشمس التي تتلقاها الأرض في ساعة واحدة، تقدَّر بأكثر من إجمالي الطاقة المستخدمة في العالم بأسره لمدة عام كامل. ونظرًا لمزايا الطاقة الشمسية، فقد نما استخدامها بشكل مطرد خلال العقدين الماضيين، بل أصبحت أسرع نموًا من أي قطـاع من قطاعات الطاقة المتجددة، إذ إنها تشكِّل حاليًا %3.6 من إنتاج الكهرباء العالمي، وهذا هو ثالث أكبر مصدر لسوق الطاقة المتجددة، تليها الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح. ومن المتوقع وفقًا لبعض التقديرات أن تنمو صناعة الطاقة الشمسية في العقود القادمة بشكل كبير، لتشكِّل نحو نصف إجمالي الطاقة البديلة تقريبًا (%45) بحلول 2050م، كما جاء في مجلة “يونيفرس توداس” في مقال نُشر في 5 يونيو 2023م. وتشير هذه النسبة العالية إلى أهمية الطاقة الشمسية، وأن مصادر الطاقة البديلة الأخرى كطاقة الرياح والأمواج والطاقة الحرارية الجوفية، لا تبدو واعدة بشكل كبير عند مقارنتها بالطاقة الشمسية.
وعلى الرغم من توجه دول العالم نحو الطاقة الشمسية والتقدُّم التقني والمستمر فيها، إلا أن هناك عديدًا من العيوب يمكن أن تحدّ من استخدامها، ومن أهمها تأثر الخلايا الشمسية سلبًا بحالات الطقس، إذ تكون غير فعّالة مع وجود السحب، كما أن بناء مزارع شمسية عملاقة على سطح الأرض يستهلك مساحات شاسعة تسهم في التشوه البصري للمناظر الطبيعية على الأرض.
علاوة على ذلك، فإن الخلايا الشمسية لا يمكنها تجميع الطاقة إلا عندما يتوفر ضوء الشمس الكافي، وهذا يعني أنها تعمل بشكل متقطع وغير دائم. وبما أن نصف كوكب سطح الأرض سيكون في الظلام في أي وقت، فإننا لا نستطيع الاستفادة من نصف كمية هذه الطاقة المنقولة من الشمس.
من الفضاء إلى الأرض
وللتغلب على هذه التحديات، فقد فكر العلماء بنقل الطاقة الشمسية من الفضاء، فيما يعرف باسم الطاقة الشمسية الفضائية، حيث تقوم الخلايا الشمسية المحمولة على الأقمار الاصطناعية، أي المحطة الفضائية الشمسية، بحصد الطاقة بكفاءة مثالية على مدار 24 ساعة في اليوم دون انقطاع، مما يسمح لها بالتعرض بشكل دائم للشمس والتجميع المستمر لهذه الطاقة، أي أن الطاقة الشمسية الفضائية لا تخضع للعوامل الأرضية مثل تعاقب الليل والنهار أو التعتيم بسبب السحب أو الطقس على الأرض، فهي متوفرة دائمًا. وتشير التقديرات الإحصائية إلى أن كفاءة الخلايا الشمسية في حصاد الطاقة الشمسية من الفضاء تزيد ثمانية أضعاف عن حصادها على الأرض، وذلك لأن الكثير من ضوء الشمس يمتصه الغلاف الجوي أثناء رحلته إلى الأرض.
وتعتمد الطاقة الشمسية الفضائية على مبادئ التكنولوجيا الحالية والفيزياء المعروفة لدينا، دون الحاجة إلى اختراقات جديدة. فمن الناحية النظرية يمكننا وضع مصفوفة من الألواح الشمسية تكون محمولة على أقمار اصطناعية مجهزة بأجهزة إرسال لاسلكي للطاقة في مدار ثابت حول الأرض، وبالتالي تُنقل الكهرباء لاسلكيًا على شكل موجات الميكروويف أو الليزر إلى محطة استقبال على الأرض، وتقوم المحطة بتحويلها إلى كهرباء مرة أخرى.
برنامج سولاريس الأوروبي
سعيًا من أوروبا نحو الطاقة الشمسية الفضائية في سبيل الوصول إلى الحياد الكربوني في عام 2050م، فقد أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية “إيسا”، في عام 2022م، مبادرة واعدة تسمى “سولاريس” (Solaris)، وهذه المبادرة تمهد الطريق إلى اتخاذ قرار محتمل في عام 2025م بشأن إنشاء برنامج متكامل حول الطاقة الشمسية الفضائية، ودراسة الجدوى التقنية والاقتصادية من أجل تلبية احتياجات الطاقة النظيفة الأرضية.
ومن خلال هذا البرنامج الطموح، ستوسع أوروبا أحدث التقنيات ذات الصلة بالتطبيقات على الأرض والفضاء، مثل الخلايا الشمسية عالية الكفاءة وخفيفة الوزن، ونقل الطاقة الكهربائية لاسلكيًا على شكل موجات الميكروويف، والتجميع الآلي للطاقة الشمسية في المدار. والهدف أن تصبح أوروبا لاعبًا رئيسًا في هذا المجال، وأن تكون رائدة في السباق الدولي نحو الطاقة النظيفة للتخفيف من ظاهرة الاحتباس الحراري الناجمة عن الأنشطة البشرية.
من المزمع إنشاء كميات كبيرة من مزارع شمسية عملاقة وإطلاقها إلى الفضاء، وباستخدام الروبوتات المعتمدة على الذكاء الاصطناعي يصار إلى تجميعها في المدار، وعند اكتمالها ستجمع طاقة الشمس بشكل دائم وغير متقطع على مدار الـ 24 ساعة، وستنقلها الروبوتات لاسلكيًا على شكل موجات الميكروويف إلى محطات الاستقبال على الأرض المجهزة بدورها بهوائيات تجميع ضخمة لهذه الموجات الكهرومغناطيسية، فتحولها الأخيرة إلى طاقة كهربائية وتغذي بها الشبكات المحلية.
يشير في هذا الصدد د.سانجاي فيجيندران من وكالة الفضاء الأوروبية إلى أنهم كانوا يعملون على موضوع مشابه على مدار الستين عامًا الماضية، إذ إن كل قمر اصطناعي للاتصالات منذ الستينيات هو أساسًا قمر صناعي يعمل بالطاقة الشمسية، وهذه الأقمار الصناعية تولد الكهرباء بألواحها الشمسية وتستخدمها في إرسال الرسائل إلى الأرض، ومن ثم يتم تحويلها مرَّة أخرى إلى إشارات كهربائية لقراءة البيانات. والفيزياء المتضمنة هي نفسها تمامًا بالنسبة إلى الطاقة الشمسية التي ستُنقل من الفضاء، لكن بمقياس مختلف تمامًا، إذ ستكون مصفوفة الخلايا الشمسية كبيرة جدًّا، ويقاس طولها بالكيلومترات، كما يفترض أن يتم بناؤها في المدار الجغرافي الثابت للأرض، على بُعد 36000 كم تقريبًا، لتتزامن في دورانها مع الأرض، بحيث تبقى فوق محطاتها الأرضية لتأمين النقل في كل الأوقات.
شراكة سعودية بريطانية
يُعدُّ قطاع الطاقة المتجددة، خاصة الطاقة الشمسية، جزءًا مهمًا ضمن خطة المملكة العربية السعودية الاقتصادية، وهي في الواقع تشكل محورًا رئيسًا ضمن رؤية المملكة 2030. فالمملكة تتمتع بموقع جغرافي استثنائي، يجعل استخدام الطاقة الشمسية أمرًا جذابًا من الجانب الاقتصادي، وقد أطلقت المملكة عديدًا من المشروعات المتعلقة بالطاقة الشمسية الأرضية، أهمها مشروع الهيدروجين الأخضر في مدينة نيوم الذي سيجعل من المملكة سوقًا عالمية كبيرة له.
ونتيجة لهذا التطلع نحو الطاقة الشمسية، ناقشت الحكومتان السعودية والبريطانية الخطط الطموحة للتعاون بين البلدين في مجال الطاقة الشمسية الفضائية.
فقد التقى وزير الأعمال البريطاني غرانت شابس، في شهر يناير من العام الجاري 2023م، وزير الاتصالات وتقنية المعلومات ورئيس مجلس إدارة الهيئة السعودية للفضاء (وكالة الفضاء السعودية حاليًا)، المهندس عبدالله السواحة، وبمشاركة مسؤولين في مشروع نيوم، وتضمّن اللقاء مناقشة الخطط الطموحة للتعاون في الفضاء والابتكار، بما في ذلك إمكانية الاستثمار في تطوير الطاقة الشمسية الفضائية. وقد تحدث شابس عن أهمية هذا التعاون في قطاع الفضاء الذي من الممكن أن يفتح فرصًا تجارية كبيرة، فقد بدأت المملكة العربية السعودية رحلة طويلة لتحديث اقتصادها، مما يفتح مجموعة من الفرص للشركات البريطانية لتصدير خبراتها في مجال الطاقة المتجددة، بما في ذلك الطاقة الشمسية الفضائية. كما رحب الرئيس التنفيذي لشركة “سبيس سولار” سام أدلين بهذا التعاون والشراكة الحقيقية مع المملكة، وأفاد أن أثرها سيكون كبيرًا على أمن الطاقة والحياد الكربوني وجودة الحياة في جميع أنحاء العالم. كما يمكن أن يؤدي التعاون بين شركة “سبيس سولار” و”نيوم” إلى قيام كل دولة باستثمار كبير في تطوير الطاقة الشمسية الفضائية في السنوات القادمة.
وتهدف شركة سبيس سولار، في غضون السنوات الست القادمة، إلى أن تنفذ مشروعًا تجريبيًا يوفر 6 ميغاواط من الطاقة في مدار أرضي منخفض، كمرحلة أولى تؤدي في النهاية إلى محطة طاقة بسعة 2 غيغاواط في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض بحلول عام 2035م. وللمقارنة فهذه الإنتاجية الكهربائية (2 غيغاواط) تتساوى مع قدرة محطة مثل محطة الظفرة للطاقة الشمسية قيد الإنشاء في أبو ظبي (من المقرر أن يتم تشغيلها خلال الربـع الثالث من العام الجاري 2023م)، وهي من كُبرى محطات إنتاج الطاقة الشمسية عالميًا.
مشروعات أخرى
من جانبها، أقرت وكالة الفضاء اليابانية “جاكسا” عام 2030م، كمرحلة نهائية لبناء محطة فضائية شمسية لها قدرة على توليد (1 غيغاواط)، أي ما يعادل محطة طاقة نووية، كما تسعى الصين لبناء محطة فضائية شمسية أخرى، وتخطط لنقل الطاقة الكهربائية من المدار إلى الأرض بحلول عام 2028م.
برنامج كالتك الأمريكي
ولد هذا المشروع في عام 2011م، حين قامت مجموعة من الباحثين بمناقشة قدرة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) على تنفيذ مشروع نقل الطاقة الشمسية الفضائية المستدامة (SSPP)، التابع للمعهد.
وأمل المشروع هو إمكانية توصيل الطاقة الكهربائية بكميات كبيرة إلى الأرض، خاصة إلى المواقع التي لا تتوفر فيها الطاقة النظيفة، وإرسالها إلى المناطق النائية والدول المتأثرة بالحروب والكوارث الطبيعية.
ويقود المشروع مجموعة من الباحثين هم هاري أتواتر رئيس قسم الهندسة والعلوم التطبيقية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وعلي هاجيميري أستاذ الهندسة الكهربائية في المعهد والمدير المشارك للمشروع، وسيرجيو بيليجرينو كبير الباحثين في مختبر الدفع النفاث.
ويمتاز هذا المشروع عن باقي المشروعات المذكورة آنفًا من الناحية النوعية والحجم، والخطوات التنفيذية، والابتكارات الجديدة في عدة مجالات ذات العلاقة، لذلك يمثل قفزة عملاقة نحو الطاقة المتجددة. وقد أشار الفيزيائي أتواتر، الباحث في البرنامج، إلى أن هذا المشروع يجسد الطموح في توفير طاقة نظيفة وبأسعار معقولة للعالم، لمواجهة أحد أهم تحديات عصرنا.
ويقوم المشروع على تقسيم العمل إلى ثلاثة مجالات رئيسة، إذ يقوم الفريق البحثي بقيادة أتواتر بتصميم خلايا كهروضوئية خفيفة الوزن وعالية الكفاءة، تُطوَّر خصيصًا لظروف الفضاء، بينما يعمل فريق هاجيميري على تطوير تقنية منخفضة التكلفة وخفيفة الوزن لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة التردد اللاسلكي، مثل تلك التي تستخدم لنقل إشارات الهاتف الخلوي، ومن ثم إرسالها إلى الأرض كموجات ميكروويف، ويوضح هاجيميري أن العملية آمنة جدًّا ولا يوجد فيها مخاطر بيئية على الإطلاق. ومن جانبه يعمل في المجال الثالث فريق بليجرينو على ابتكار هياكل فضائية قابلة للطي وفائقة النحافة وخفيفة الوزن لدعم الخلايا الكهروضوئية، بالإضافة إلى المكونات اللازمة لتحويل طاقة التردد اللاسلكي.
خطوات تنفيذية
وفي خطوة تاريخية هي الأولى من نوعها، تم إطلاق نموذج أولي تجريبي في الفضاء في ديسمبر من عام 2022م، وقد أظهر النموذج الأولي الصغير لمحطة الطاقة الشمسية الفضائية، (SSPD-1)، قدرته الفعالة على توصيل الطاقة الكهربائية فعليًا إلى الأرض. وتخطى المهندسون عقبات تكنولوجية لم يكن من المعتقد إيجاد حلول لها بهذه السرعة في مجال نقل الطاقة الكهربائية لاسلكيًا من الفضاء إلى الأرض، حتى مع الهياكل الصلبة باهظة الثمن. .
كما استطاع الباحثون برمجة المصفوفة وتوجيه طاقتها نحو الأرض للمرة الأولى، إذ استطاع الفريق القيام بذلك عن طريق تجهيز المركبة الفضائية بألواح شمسية ذات كفاءة عالية وخفيفة الوزن لها القدرة على تحمل بيئة الفضاء القاسية وتقلبات درجات الحرارة والإشعاع الشمسي، هذا بالإضافة إلى أن أجهزة الإرسال في مصفوفة الميكروويف المستخدمة في التجربة، نقلت الطاقة الشمسية المجمعة في المدار المنخفض (MAPLE) في الفضاء، باستخدام موجات الميكروويف الدقيقة، إلى جهاز استقبال موجود بمختبر كالتك في مدينة باسادينا
وتحتوي محطة الفضاء الشمسية (SSPD-1) على جهاز يتكون من لوحين يُستخدمان لتجميع هذه الطاقة الشمسية وتحويلها إلى تيار مستمر (DC)، إذ تمت من خلالهما إضاءة زوج من مصابيح “ليد” (LED)، لإظهار تسلسل العملية لنقل الطاقة الكهربائية اللاسلكية من الفضاء بكاملها.
ولاختبار دقة المصفوفة، فقد تم إضاءة مصباح واحد (LED) في كل مرة عن طريق نقل الإرسال إلى أجهزة الاستقبال، بحيث تقوم مجموعة الإرسال داخل المدار المنخفض بإرسال الطاقة الكهربائية باستخدام خاصِّيتي التداخل البنّاء والهدّام للموجات، فعندما تتداخل موجتان كهرومغناطيسيتان متفقتان في الطور(قمتين أو قاعين) نحصل على موجة كبيرة، وهذا ما يعرف بالتداخل البنّاء، بينما إذا تقابلت قمة مع قاع فإننا نحصل على تداخل هدّام. وهذا يعني أنه إذا وجدت العديد من الموجات الكهرومغناطيسية العاملة بشكل جماعي يمكن في الواقع توجيه الطاقة في اتجاه واحد وإلغاء جميع الاتجاهات الأخرى بالطريقة نفسها التي يمكن من خلالها تركيز الضوء للعدسة المكبرة على نقطة صغيرة.
ومن خلال التحكم الدقيق بهذه العملية، يمكن تعديل اتجاه الطاقة بسرعة كبيرة على مقياس النانو ثانية (جزء من المليار من الثانية)، إذ يمكن توجيه الطاقة إلى أجهزة الاستقبال الفضائية أو أجهزة الاستقبال على الأرض، ويمكن القيام بهذه العملية من دون الحاجة إلى أجهزة ميكانيكية متحركة، وهذا يعني قدرتها على تركيز اتجاه الطاقة بشكل انتقائي على الموقع المطلوب وليس إلى أي مكان آخر.
يُعدُّ نجاح النموذج الأولي لنقل الطاقة الكهربائية في تجربة المدار المنخفض، شهادة لأحدث التقنيات والأبحاث المبتكرة التي أجراها الباحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، كما تمثل قفزة نوعية في النقل اللاسلكي للكهرباء، فضلًا عن أن هذا الإنجاز الرائع يقرّبنا من استثمار الطاقة الشمسية الفضائية كمصدر وفير ومتجدد للطاقة.
اترك تعليقاً