المؤسسة الهندسية للطاقة الشمسية الفضائية

وتهدف الطاقة الشمسية القائمة على أساس الفضاء (SBSP) إلى جمع الطاقة الشمسية في المدار، حيث يكون ضوء الشمس ثابتاً ومكثفاً، ثم يُشعل فيه لاسلكياً إلى الأرض، وعلى عكس المزارع الشمسية الأرضية، تعمل شبكة الفضاء الأوروبي على أساس الغطاء السحابي والتشتت في الغلاف الجوي، حيث تُدرّب الآن نحو 000 2 واط لكل متر مربع في الفضاء، مقارنة بمتوسط عالمي قدره 170 واقاً لكل متر مربع.

بنية النظام الأساسي لسواتل SBSP

ويتألف الساتل الكانتوني SBSP من أربعة نظم فرعية رئيسية: صفائف فولتية ضوئية كبيرة، وأجهزة تحويل الطاقة وإدارتها، ومرسل للأشعة المقسمة على مراحل، ونظام مراقبة دقيق للمواقف، ويجب أن يكون كل عنصر على الوجه الأمثل بالنسبة للكتلة والكفاءة والموثوقية في البيئة الفضائية.

Slar Arrays: Maximizing Area-Specific Power

وتحتاج ألواح الوصل الجامدة التقليدية إلى كميات كبيرة من السواتل المتعددة الجيغاوات، وتستخدم التصاميم الحديثة مركبات فولطية خفيفة من القذارة مثل أكسيد الغاليوم (GaAs) أو خلايا البوليسيد البيروفسكي المحتوية على درجة حرارة متجانسة، وتزيد من نسبة الارتفاع بنسبة 35 في المائة تحت التدفُّق الشمسي المركَّز.

تحويل السلطة وتكييفها

وتنتج صفائح التحلل الضوئي تيارا مباشرا منخفض التقلبات، ويجب تعزيزه إلى ارتفاع حجمه (من 1 إلى 10 كيلوفولتات) من أجل الانتقال بكفاءة إلى حافلة الساتل، كما أن محولات الطاقة الكهربائية ذات الصلبة الصلبة التي توزع على أنبوب السيليكون أو نيتريد الغالييوم (GaN) تتيح تحويل الترددات إلى أكثر من 100 كيلو متر مكعب مع إضافة نفايات مصغرة

Wireless Power Transmission: Microwave vs. Laser

وتتنافس اثنتان من تكنولوجيات البث الرئيسية على نظام SBSP: تواتر أجهزة الموجات الدقيقة، وأشعة الليزر بالأشعة تحت الحمراء، ويقدم كل منهما مبادلات متميزة في الكفاءة، والأداء الجوي، والاختلاف بين الشعاعات، والسلامة.

نظم الموجات الدقيقة

ويستخدم النهج الأكثر نضجا، الذي ترعاه ناسا وجاكسا، هوائيات الأشعة المتحركة العاملة عند 2.45 غيغاهيرتز أو 5.8 في المائة من الهكسان - ترددات داخل نطاقات الإدارة المتكاملة، وتتسم بالشفافية إلى حد كبير من خلال الغلاف الجوي، ويتكون التصميم النموذجي من آلاف عناصر المقياس الحرفي التي تعمل على هيكل مهيمن، ويتجاوز كل منها معدلا للغطاء السحابي يسمح بتوجيه الكتروني.

نظم لازر (العملية)

أما فيما يتعلق بالمنابر الأصغر حجماً (من 10 إلى 100 ميغاواط)، فإن انتقال الفيروسات إلى الغلاف الجوي يستخدم الليزرات ذات القدرة العالية (مثل الليزرات الليبرانية عند 1.06 ميكروغرام أو 1.55 ميكروغرام) وتشمل الطلقات التي تستخدمها أجهزة الاستلام الأرضية (عشرات المتر) وعاملاً أصغر في شكل السواتل، وتعويضاً عن فقدان أجهزة انتقال الغلاف الجوي في سمات واضحة.

مراقبة الحركة والمحطة

ويجب أن يحافظ ساتل " SBSP " على توجيه دقيق لمصفوفاته الشمسية نحو الشمس ومرسلها نحو المحطة الأرضية، في حين يتحكم في الضغط الشمسي الذي يمكن أن يلوي الهيكل الكبير، ويعطي عجلات الركون ولحظات التحكم في الطاقة الشمسية دقة توجيهية دقيقة )٠,٠١ درجة لمواءمة أجهزة الإرسال في نظم الموجات الدقيقة( أما بالنسبة للمدار الثابت بالنسبة للأرض، فإن عمليات حفظ المحطة تتطلب حرقا دوريا للأجهزة الدفع

Orbital Selection and Energy Harvesting Characteristics

ويؤثر اختيار الارتفاع المداري تأثيراً كبيراً على تصميم نظام SBSP وجمع الطاقة وإمكانية نقلها، ويجري حالياً دراسة ثلاثة أنواع من المدارات الأولية.

المدار الأرضي الثابت بالنسبة للأرض

وفي ارتفاع 786 35 كيلومترا، يبدو ساتل تابع لشبكة جيو جيو ثابتا على سطح الأرض، مما يتيح استمرار التنوير بالنسبة لـ 99 في المائة من السنة (باستثناء الكسوفات الخبيثة القصيرة)، ويسمح هذا الساتل بتصميم محطة أرضية بسيطة ويلغي عملية التسليم بين سواتل متعددة، غير أن المسافة الطويلة تؤدي إلى تفاوت كبير في حجم الأشعة المكشوفة بالنسبة لأجهزة الإشعاع الميكرويجي، مما يتطلب صفائف سعة (خمسة)

منخفض الأرض المدار (LEO) ومتوسط المدار الأرضي

ويمكن أن توفر مجموعة من عشرات إلى مئات السواتل ذات المدار المنخفض )٥٠٠-٢ كيلومتر( تغطية عالمية بمسافات نقل أقصر )أقل من ٠٠٠ ١ متر مربع( وأن تكون درجة الكفاءة في المدار الأرضي أقل من الطول المتوسط )٠٠٠ ٠١ كيلو متر مربع( وأن تكون هناك مصادر متعددة للتوليد )٠٠٠ ٠١ كيلو متر مربع(

Sun-Synchronous and Other Special Orbits

أما المدارات التي تدور في مدارات متزامنة مع الشمس )٦٠٠-٩٠٠ كيلومترا( فتحتفظ بزاوية ثابتة إلى الناقلة الشمسية، مما يبسط تصميم صفائف الشمس عن طريق إزالة تعديلات الطلاء الموسمي، غير أن وجود طائرة مدارية يتطلب إما خاتما من المحطات الأرضية أو تخزينا للطاقة داخل المدار )البعثات أو إنتاج الهيدروجين( لتغطية الجانب المظلم، وهذه المدارات أكثر ملاءمة للمتظاهرين من محطات توليد الطاقة الكهربائية العاملة.

الجزء الأرضي والتكامل بين المحاجرين

وتُنقل الطاقة التي يجمعها الساتل كشعاع مركز إلى محطة أرضية على الأرض، كما أن هندسة هذه البنية التحتية المتلقية لها بالغة الأهمية مثل قطاع الفضاء.

Rectenna Arrays

ويُعد جهاز استقبال رئيسي لشبكة الطاقة المصغرة (GBSP) هوائياً تصحيحياً (rectenna) يحول الطاقة من محطة توليد الطاقة إلى كهرباء العاصمة، ويتكون حقل الارتداد من آلاف الديبول أو الهوائيات المنخفضة التكلفة، ويرتبط كل منها بمعامل لتصحيح مقياس الكثافة الكثيفة، ويُصنع من مشغلات مقياس غليتنام (GaAs5%) أو

تكييف السلطة والتلاحم

أما ناتج البلدان النامية من ميدان الكهف فهو منخفض الفول والمتوسط، ومتوسط الحجم يتراوح عادة بين 0.5 و1 خامسا لكل عنصر، ويجمع المهندسون بين مئات الآلاف من العناصر في تشكيلات شبه جزيرة غلوبال لإنتاج 50 إلى 200 كيلو فولط من أجل نقلها عبر خطوط الرؤوس إلى أقرب وصلة شبكية، كما أن المحولات التي تنقل من العاصمة إلى AC (60 Hz في أمريكا الشمالية، و 50 Hz في أماكن أخرى) مع وجود اختلالات منخفضة من النسيج

استخدام الأراضي والتأثير البيئي

وتحتاج مساحات مساحات مساحتها 5 كيلومترات إلى حوالي 20 كيلومترا مربعا من مساحة الأراضي، مقارنة بمزرعة كبيرة من الطاقة الشمسية الأرضية ذات القدرة المعادلة، غير أن الميض الكهرمائي يتيح مرور 70-80 في المائة من ضوء الشمس، ويتيح استخداما مزدوجا مع الزراعة أو الرعي، وتظل المؤسسات الملموسة في أدنى مستوى لها، وتشغلها مواقع منخفضة الأثر تقل فيها مستويات حرارة تتراوح بين 2 و3 مترا.

التحديات الهندسية الرئيسية والتخفيف من آثارها

ولا تزال هناك عدة عقبات منهجية قبل أن تصل شبكة المعلومات المتعلقة بالسلامة الكيميائية إلى النشر على نطاق واسع، وتقوم الأفرقة الهندسية في جميع أنحاء العالم بمعالجة هذه العقبات من خلال التصميم الابتكاري ووضع النماذج المكررة.

مضيق من الكتلة إلى المدار وتكاليف الإطلاق

أكبر حاجز أمام نظام SBSP هو الكتلة الخفية للنظام، وقد يتطلب ساتلا من طراز GEO يتراوح بين ٠٠٠ ٢ و ٠٠٠ ٥ طن متري في المدار، يتجاوز قدرات الإطلاق الحالية، ويمكن أن ترفع أكبر مركبة الإطلاق، وهي مركبة الفضاء الفضائية الفضائية الفضائية الفضائية الفضائية الفضائية الفضائية " كروس " ، وربما ٣٠ طنا إلى المدار الثابت بالنسبة لعشرات من أجهزة الإطلاق، بحيث تشمل تكاليف الصنع بالأشعة دون الحمراء

الإدارة الحرارية في بيئات هرش

إن الساتل المتعدد الأشكال سيولد حرارة كبيرة من النفايات من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية وعدم كفاءة الطاقة الكهربائية، وفي فراغ الفضاء، فإن آليات التبريد الوحيدة هي الإشعاع والسلوك، إذ ينشر المصممون أجهزة مشعة قابلة للتداول مجهزة بمواد سمية عالية (مثل أكسيد الكيمياء)

الحطام الفضائي ومقاومة تأثيرات الكويكبات

(أ) يمكن أن يؤدي ساتل SBSP ذو صفائف شمسية واسعة النطاق إلى الحطام والميكرومترات، بل إن الجسيمات ذات الصبغة الواحدة يمكن أن تُحدِّد خيوطاً من الألواح الشمسية عن طريق حرق النفايات وتركيب البلازما القصيرة.

Atmospheric Transmission and Weather Effects

(ب) بالنسبة إلى [الموجات القصيرة الأجل]، فإن ارتفاع الطاقة في الغلاف الجوي منخفض (أقل من 2 في المائة في 2.45 غيهرتز تحت سماء واضحة) ولكن يزيد إلى حوالي 8 في المائة خلال الأمطار الغزيرة عند 5.8 غيغاهيرتز.

الأطر المتعلقة بالقدرة الاقتصادية على تحمل المسؤولية والسياسات

وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تضاهي الجدوى الهندسية الواقعية الاقتصادية والتنظيمية، إذ أن التوقعات الحالية لتكاليف الجيل الأول من محطات نظام سباحة الفضاء تتراوح بين 300 و500 دولار لكل ساعة من ساعات العمل المتوسطة، مقارنة بـ 30 و60 دولارا/ميغاواط بالنسبة للريح الأرضية والشمس، غير أن قيمة هذا النظام تكمن في إمكانية الإرسال: إذ يمكن أن يوفر الطاقة 24/7 دون تخزين، مما يؤدي إلى زيادة في حجم الريح الأرضية (250 دولارا).

وتشمل العقبات التنظيمية تخصيص أجهزة التنقيب لنقل الطاقة اللاسلكية في إطار النطاقات التي تستخدمها أجهزة الرصد الدولي والتي تواجه حالياً المنافسة من شبكة وي-في، وBlutooth، والرادار.() وسوف تحتاج المؤتمرات العالمية للاتصالات اللاسلكية التابعة للاتحاد الدولي للاتصالات إلى تخصيص ترددات مخصصة لأجهزة التحكم في الفضاء لتجنب التدخل الضار.

آخر المظاهرات والتوقعات المستقبلية

وقد أثبتت عدة مظاهرات بارزة صحة التكنولوجيات الأساسية:

  • JAXA (اليابان Aerospace Exploration Agency)] performed a ground-based experiment in 2015 that wirelessly transmitted 1.8 kW of microwave power over 50 meters. In 2023, JAXA achieved a 50-meter airborne test with a small drone, demonstrating dynamic beamteering.
  • Caltech Space Solar Power Project (SSPP)] launched a flight demonstrator in January 2024 aboard a Momentus Vigoride spacecraft. The spacecraft carries a tile of light weight photovoltaic and microwave transmitters to test power beaming in tropical.
  • ]] China’s CAST (China Academy of Space Technology)] announced plans to launch a small SBSP satellite by 2030, followed by a 1-MW test system in geostationary Airport by 2035. They are building a ground test facility in Chongqing.
  • UK Space Agency] has funded studies by companies such as Space Solar Ltd. to develop a 200-MW satellite concept using a novel “sandwich module” design that integrates solar cells, power conversion, and phased arrays.

وسيكون العقد القادم حاسما: إذا استمرت تكاليف الإطلاق في الانخفاض، وثبت أحد هؤلاء المتظاهرين جدوى من نهاية المطاف (توليد الأشعة، التحويل، الحقنة الشبكية)، فإن نظام SBSP يمكن أن يجتذب استثمارات كبيرة من القطاع الخاص والحكومة، وبحلول عام 2040، يمكننا أن نرى أول نظم تشغيلية من طراز ميغاوات، ترتفع إلى درجة جيغاوات بحلول عام 2060.

خاتمة

إن هندسة سواتل الطاقة الشمسية الفضائية تمثل تحديا كبيرا على غرار برنامج أبولو أو تطوير شبكة الإنترنت، إذ أن النظم الفرعية الرئيسية - وهي أجهزة فلطية تعمل بالأشعة فوق البرقية، وبث طاقة سلكية عالية الكفاءة، والإدارة الحرارية على نطاق غير مسبوق، ومراقبة الموقف المستقل بدقة - تتطور من النماذج المختبرية إلى أجهزة قابلة للطياف، بينما تظل العقبات الكبيرة في مجال التكلفة قائمة على نحو مطرد في إطار الحد الجماعي.