توليد الكهربائية من طاقة الشمس في الفضاء الخارجي باستخدام الأقمار الصناعية

بواسطة:

المهندس. محمد حجاج متخصص في الطاقات الجديدة والمتجددة

خلال العقد الماضي، أدت الطرق التقليدية لتوليد الطاقة إلي انخفاض الاحتياطيات العالمية من الوقود الأحفوري وكأثر جانبي أدي ذلك إلى “تغير المناخ”. لكن نظرا للاستراتيجية الجديدة للحكومات العالمية في توليد الطاقة للحد من ظاهرة الاحتباس الحراري والتزايد في الحاجة إلى إمدادات الطاقة آمنة لا تنتهي، جعل الأنظار تتجه إلى مصادر الطاقة الجديدة والمتجددة.

هذا وتشير الدراسات انه نظرا للتزايد السكاني المستمر والزيادة في التقنية والترف للفرد فان الاحتياجات للطاقة في تزايد مستمر يواكبها تزايد في إنتاج الطاقة. ولكنه من المتوقع ان بعد العام 2020ستبدا معدلات إنتاج الطاقة المختلفة من وقود وغاز .. إلخ في الانخفاض، وهو أمر بالغ الخطورة حيث سيؤدي ذلك إلى ارتفاع رهيب في أسعار الوقود عالميا، مما سيجع الدول النامية عاجزة عن توفير مواردها الأساسية من الوقود، مما سيؤدي إلى انهيار الحكومات في هذه الدول وجعلها ساحات للنزاع والحروب والإرهاب. وطبقا لتقديرات فانه بحلول العام 2100 فان جميع المصادر المتاحة والمعروفة حاليا لن تغطي سواء 30% من احتياجات العالم. لذا فإن التفكير في بدائل لإنتاج الطاقة واللجوء إلى مصادر الطاقة جديدة والمتجددة وغير ملوثة أمر حتمي.

لماذا الطاقة من الفضاء الخارجي

تشع الشمس كمية هائلة من الطاقة المنبعثة بشكل مستمر في الفضاء الخارجي في جميع الاتجاهات. وتتعرض الأرض والكواكب الشمسية الأخرى إلي جزء صغير جدا من هذه الطاقة ولكنها كافية جدا لتمد الأرض الطاقة اللازمة للحياة عليها، علما بأنه يتم فقدان حوالي 80٪ من قوة أشعة الشمس في الغلاف الجوي. وتعتبر الطاقة الشمسية التي تصل لسطح الغلاف الجوي للأرض ثابتة وصالحة الأغراض العملية. وتقدر الطاقة الساقطة على سطح الغلاف الجوي بحوالي: 1.4 كيلو وات / متر2 أو 2 كالوري/ سم2/ الدقيقة.

يتم فقدان اكثر من 80% من طاقة الشمس في الغلاف الجوي.

معدلات فقدان الطاقات المختلفة لمدي الإشعاعي في الغلاف الجوي

عندما قام الكولنيل بيتر جارستون بشرح هذا المنحني في أحد كليات الهندسة في الهند، قال انه لا ينام اليل بسبب هذا المنحني وان الناس في الدول النامية يجب ان لا تنام الليل بسبب هذا المنحني. لأننا نري ان بعد عام 2020 سيظل الوقود موجود ولكن معدلات الزيادة في إنتاجه لن تواكب معدلات الزيادة في الطلب، وبالتالي سترتفع أسعار الوقود بشكل رهيب ولن تسطيع الدول النامية من توفير احتياجاتها منه، وبالتالي ستنهار أنظمتها الاقتصادية والسياسية وستدخل هذه الدول في صراعات طاحنة

لذا فهدفنا هو العثور على طريقة لجمع الطاقة الشمسية (أشعة الشمس الساقطة على سطح الغلاف الجوي للأرض) في الفضاء الخارجي، ونقلها إلى الأرض، على شكل شعاع حرارة المركز.

لأكثر من 40 عاما مضت (وتحديدا 1968 أطلق د.بيتر جلايزر هذه الفكرة لأول مرة) عكفت كلا الولايات المتحدة الأمريكية، اليابان، أوروبا وروسيا على دراسة هذه التكنولوجيا الجديدة للطاقة، التي تبدو مثل الخيال العلمي.

وقامت ناسا في السبعينيات بعمل أبحاث واختبارات للتأكد من إمكانية نقل الطاقة لاسلكيا، واستمرت الأبحاث في الثمانينيات والتسعينيات وتقدر كفاءة نقل الطاقة بهذه الطريقة من الفضاء الخارجي حت تحويلها إلى كهرباء على سطح الأرض بحوالي من 33% إلي 66% إلى الأن ولكن التحدي الأساسي هو اقتصاديات تنفيذ المشروع.

نجاح ناسا في نقل الطاقة لاسلكيا في عام 1975 حيث تم نقل 34 كيلو وات لمسافة 1.5 كم بكفاءة تزيد عن 82%. ونري الكشافات مضاءة لاسلكيا بواسطة موجات الميكرو ويف نتيجة إرسال ثلث الطاقة المستقبلة لها على شكل تيار مستمر علما بان كل كشاف كان بقدرة 300 وات (وهو ما يعادل اكثر من 10 كيلو وات)، حيث تم إرسال الطاقة من طبق إرسال بقطر 62 متر وبمرسل قدرته 00 5 كيلو وات، استقبال الطاقة على عدد 4590 من المستقبلات مثبتة على عدد 17 لوح مساحة كل منها 1 متر مربع. وبهذه التجربة الناجحة اثبت استقبال الطاقة لاسلكيا بكفاءة اكثر من 82%، وتحويلها لتيار مستمر.

نقل الطاقة لاسلكيا بواسطة الليزر

طائرة مزودة ببطارية قدرتها 5 دقائق حققت طيران لاكثر من 11 ساعة بواسطة الطاقة المرسلة بالليزر

ويقدر العلماء المتخصصون الطاقة المنتجة من هذه الوحدات بانها تفوق الطاقة المنتجة من المحطات الهيدروليكية (مثل السد العالي)، وكذلك فان تكلفة إنشاء محطة توليد الطاقة الفضائية تقارب في تكلفتها تكلفة إنشاء محطة التوليد الهيدروليكية، أما بالنسبة لتكلفة إطلاقها في الفضاء فيمكن مقارنتها بتكلفة حفر بئر للبترول وكلهما يعطيك منبعا للطاقة. علما بان احتياجات الطاقة في عام 2100 تحتاج إلى 18000 محطة طاقة نووية لكي يتم تغطيتها وهي حتما اعلي تكلفة بكثير من إطلاق مولدات الطاقة الفضائية.

وسبب اهتمامهم بالإضافة لما ذكرناه سابقا، أنه على عكس خلايا الطاقة الشمسية الأرضية، يمكن أن توليد الأقمار الصناعية الطاقة المتجددة النظيفة 24 ساعة يوميا، سبعة أيام في الأسبوع، ولا يهم إن كان الطقس غائما أو ولا تتأثر بدورة الأرض الليل والنهار ولا تأثير لسرعة الرياح. هذا بالإضافة إلى أن عامل القدرة الشمسية الأرضية هو عادة أقل من 25 في المئة، وفي المقابل، من المتوقع أن عامل القدرة الشمسية في الفضاء سيصل إلى 97%. مع العلم بأنه نتيجة لصفاء وصول الأشعة لإزالة من تأثير الغلاف الجوي للأرض، فأن خلايا الطاقة الشمسية الفضائية ستلقي طاقة أكثر 20 مرة من الخلايا الشمسية الأرضية على الأقل. وتقديريا إذا تم عمل قطاع كيلومتر واحد يحيط كوكب الأرض، فإنه يلتقط ما يكفي من القوة لخلق الشمسية قدرة توليد واحد تريليون واط لل22،000 ميل قبالة الأرض.

وتتلخص الفكرة العالمية لتكنولوجيا توليد الكهرباء في الفضاء. أنها ستكون من خلايا شمسية مثبتة في قمر اصطناعي يدور في مدار حول الأرض، وسيتم تحول الطاقة المتولدة إلي موجات فائقة الصغر microwaves يتم بثها إلى الأرض لإعادة تحويلها إلي طاقة كهربية مرة أخري، ويكفي فقط إطلاق 4 صواريخ للفضاء لنقل النظام المقترح كاملا ووضعه في المدار.

طبقا لمجلة (PG & E) المتخصصة في الطاقة.

أقمار الطاقة ونري في الصورة مقارنة للطاقة المجمعة لمة 12 ساعة بداية من متصف الليل وحتي منتصف الظهر من وحدة في الفضائ الخارجي واخري على الارض بقدرة 2.5 جيجا وات ونجد ان الوحدة في الفضاء الخارجي حصدت 30 جيجا وات في الساعة، بينما الارضية حصدت فقط 3.4 جيجا وات، فضلا عن توقفها طوال الليل وتاثرها بالظروف الجوية.

فكرتي (عام 1996) لكي يتم عمل ذلك بصورة اقوي وأكثر اقتصادية ، هي أن يتم تجمع طاقة أشعة الشمس طريقتين:

الأولي: نشر عدسة محدبة كبيرة جدا بقطر1 كم وتركيز الأشعة المجمعة في بؤرة عدسة مقعرة، ويكون الناتج شعاع مركز متوازي أشبه بشعاع الليزر,

الثانية: نشر مرآة مقعرة كبيرة جدا بقطر1 وتركيز الأشعة المجمعة في بؤرة عدسة مقعرة، ويكون الناتج شعاع مركز متوازي أشبه بشعاع الليزر ويعكس الشعاع للأرض بواسطة المرايا.

ولقد فكرت ناسا في اتجاه ممثال سنة 2002، حيث سيتم ضخ الطاقة الشمسية المحصودة كهربيا إلى الارض بواسطة الليزر، علمان بان الميكرو ويف يعتبر الافضل والاسحن في الكفاءة إلا انه يتطلب مرسل ضخم جدا يسمي المشع الوجهي لكي يعمل بكفائة، ولكن على الوجه الاخر فان الليزر يحتجا مشع اصغر بكثير، ويمكن ان يتشكل بمجمعة من الاقمرا الصغير التي يمكن ان تطلق كلا على حدة،على عكس المنصة العملاقة اللازمة لاطلاق اشعة الميكرو ويف

نقل الطاقة بالليزر

وتقدر الطاقة المنتجة حوالي 1210 جيجا وات، وهو ما يعادل نصف قدرة السد العالي تقريبا، علما بأنه ينتج 3 مجموعات من الأشعة، تحت الحمراء (طاقة حرارية)، والضوء العادي، والأشعة فوق البنفسجية، ويمكن استخدام كل منها على حدة، وسر الصناعة هو في كيفية تنفيذ هذه الفكرة، علما بأن الدراسات التي تجري حاليا تجري لإطلاق وحدة تنتج فقط 1 جيجا وات خلال ال 20 سنة القادمة (في اليابان تحديدا).

وتوجد تقنية شبيهة حاليا علي سطح الأرض، سنتحدث عنها في مقال لاحق، وتسمي انتتاج الطاقة باستخدام الطاقة الحرارية للشمس بواسطة المرايا Solar Thermal Concentrator.

أما عن كيف نقل هذه الطاقة إلى الأرض، فيمكن نقلها بأحد هذه الطرق:

نقلها كأشعة موازية مركزة لان الناتج شبيه بالليزر، حيث أن أشعة الشمس تسقط على الغلاف الجوي متوازية تقريبا، وبالتالي فان الشعاع الناتج مع التقنيات الحديثة للمرايا والعدسات سيكون متوازي.
وضع وحدة توليد الطاقة الكهربية من الطاقة الشمسية (كالمستخدمة علي سطح الأرض، موجودة في الصورة بالأعلى) الطاقة في البؤرة، ومن ثم نقل الطاقة إلى الأرض على النحو التالي:

تحويل الطاقة إلى أشعة ميكروويف microwaves .
تحويل الطاقة إلى شعاع الليزر وسنتكلم عنهما في مقال لاحق (نقل الكهرباء لاسلكيا).

عكس الأشعة الموازية المركزة على مرآة محدبة لكل واستخدامه بمثابة شمس صغيرة في الليل، لاستخدامها في المدن الإضاءة.

ويمكن استخدامها على الأرض كالتالي:

توليد الطاقة الكهربائية. (باستخدام شعاع الحرارة لتوليد البخار عندما يسقط داخل غلاية مخصصة لاستقباله، أو تسليطها على خلايا شمسية مخصصة لمذل هذه الطاقة العالية).
توليد الطاقة الكهربائية. (باستخدام قوة شعاع الحرارة لشق وخلق قنوات جديدة للمياه من الأماكن المرتفعة للأماكن أقل وبعد ذلك باستخدام الطاقة المائية، حيث ان الحرارة الرهيبة المتولدة ستقوم بإذابة الرمال والصخور وتبطين القناة بطبقة سميكة من الزجاج، وكذلك الاستفادة من الزجاج المتولد في تصنيع الزجاج). وكان هذه هي الفكرة الأساسية لعمل هذا الاختراع عام 1996 لشق قناة مائية من البحر المتوسط إلى منخفض القطارة والذي ينخفض عن سطح الأرض 140 متر، وتوليد الكهرباء من انحدار الماء لهذا المستوي)
إنارة الشوارع في الليل، من خلال عكس حزمة الضوء إلى مرايا مثبتة على أقمار صناعية في الفضاء.
في إنتاج النفط والغاز عن طريق حفر الآبار حيث أن تركيز الشعاع في نقطة واحدة سيقوم بالحفر والتبطين بالزجاج في نفس الوقت.
في الزراعة نتيجة شق وخلق انهار ومجاري مائية جديدة.
تطهير المستنقعات وجعلها صالحة للاستخدام.
يمكن عمل المشروع والاستفادة منه في عمل المجاري المائية المطلوبة ثم الاستخدام بعد ذلك في انتتاج الطاقة.

وهنالك المزيد من الأفكار مطروحة للبحث في هذا المجال الهام والذي خرج من طور الخيال إلى مرحلة الحاجة الملحة، والتي يجب علينا أن نبدأ فيها بينما نحن نستطيع ذلك قبل أن تنفذ موارد الطاقة في العالم والتي تمكنا من عمل هذه لتعدنا بمستقبل أكثر رخاء وسلاما. والدعوة مفتوحة للجميع على مستوي العالم للمشاركة بأفكاره والبدء في الانخراط في فريق العمل والذي يقدر مستقبليا بمليون فرد.

وفيما يلي شرح لخطوات احدث الطرق المقترحة لتوليد الكهرباء بهذه الطريقة

واخير فان اكثر ما سيقل الناس هو تاثر التعرض المستمر لاشعة الميكرو ويف التي ستقوم بنقل الطاقة، وما تظهر الابحاث الي الان انه لا يوجد تأثر سلبي على الانسان او الحيوان او النبات نتيجة التعرض لهذه المجالات والتي تقرر ارسال الطاقة عليها وانه من غير المتوقع ان تسبب ايضا مضار. علما بان ارسال الطاقة المجمعة في الفضاء الخارجي من خلالي الموجات منخضة الشدة، اكثر أمانا من معظم الطرق المستخدمة لنقل الطاقة حاليا. وبالرغم من ان جميع الاستخدمات المنزلية تستخدم مثل هذه المجالات، الا ان نقل الطاقة بهذه الوسيلة سيثير اهتمام الجميع، لذا فقد قامة ناسا بتجارب عديدة كما منها الزراعة في مجال متعرض لمثل هذه الموجات بشكل مستمر، وقياس التاثيرات الناجة على النباتات، وبحمد الله لم يسجل اي تاثير سلبي.

تجربة قامت بها ناسا لقياس تاثير التعرض المستمر لاشعة الميكرو ويف على الاحياء. وفي الصورة مجموعتين من النبات معرضين لنفس الظروف والفرق الوحيد هو التعرض لاشعة الميكرو ويف المخصصة لنقل الطاقة