Table of Contents
The next Frontier in Energy Infrastructure
إن الطاقة الشمسية القائمة على أساس الفضاء، تمثل أحد أكثر الأعمال الهندسية طموحاً، والتي لا تزال تتصور، والافتراض الأساسي بسيطاً بشكل واضح: وضع صفائف واسعة من الخلايا الفولطية الضوئية في المدار الثابت بالنسبة للأرض، حيث يمكن أن تلتقط ضوء الشمس دون إعاقة من خلال الامتصاص الجوي في الغلاف الجوي، أو الغطاء السحابي، أو دورة العطل اليومية، ثم تنقل تلك الهياكل الأساسية التي لا تبعث على الأرض.
SBSP Power Chain: From Photon to Grid
ويبدأ فهم التحدي الذي يواجهه الهيكل الأساسي بصورة واضحة لسلسلة الطاقة الكاملة في نظام نظام SBSP، وتشمل الرحلة من ضوء الشمس إلى التجويف عدة مراحل متميزة، كل منها يواجه قيودا هندسية وأهدافا تتعلق بالكفاءة.
الجزء الفضائي: الجمع والتحويل
ويتكون الجزء الفضائي من جامعات شمسية كبيرة - مصممة على نحو ثابت - صفائف تمتد على كيلومتر - تحول ضوء الشمس إلى كهرباء مباشرة - على عكس المزارع الشمسية الأرضية، تعمل هذه المجمعات في بيئة عالية الإشعاع، وتركيب الحرارة، ويجب تصميمها لعقود من الخدمة غير المجهزة، والطاقة التي تولد في هذه المرحلة هي مادة سداسي كلور حلقي، وهي عادة في حالة منخفضة نسبيا، ويجب أن تكون متطورة.
نقل السلطة اللاسلكية: قلب النظام
والسمة المميزة لنظام سبيس هي نقل الطاقة اللاسلكية. وهناك طريقتان أوليتان قيد النظر بجدية هما: الموجات الدقيقة والليزر (العملية) وكل منهما يفرض متطلبات مختلفة على البنية التحتية للتوزيع.
(أ) في نهج الموجات الدقيقة، تحول الجزء الفضائي طاقة العاصمة إلى شعاع تواتر إذعي، ويظهر عادة في إطار سلسلة إنتاج الطاقة الكهربائية العاملة من 2.45 غيغاهيرتز أو 5.8 غيغاهيرتز الصناعية والعلمية والطبية (ISM) وتتكون الشعاعات من تواتر وتأقلم باستخدام صفيفة واسعة النطاق من المواد الكيميائية على متن المركبات الفضائية.
(أ) تستخدم النظم القائمة على استخدام أجهزة الاستنشاق ذات الكفاءة العالية في استخدام الليزر الصلبة أو الليزر المُضخة لنقل الطاقة كضوء متماسك، وتشمل المزايا الكثير من أجهزة الإرسال وأجهزة الاستلام الأصغر لمستوى معين من الطاقة والقدرة على استخدام الخلايا السائلة (غير المُتأهلة للموجات الليزرية)
الجزء الأرضي: الاستقبال وإدماج المحاجرين
ويتألف الجزء الأرضي من محطات استقبال كبيرة - مجهزة بنظم الموجات الدقيقة أو صفائف أجهزة استقبال فولطية الضوئية لنظم الليزر التي تحول الطاقة المبثوثة إلى الكهرباء، ويجب أن توضع هذه المحطات في مواقع في مناطق ذات ظروف جوية مواتية، وتدخل ضئيل في الترددات اللاسلكية، والوصول إلى الهياكل الأساسية الحالية للإرسال، ثم يتم تغذية ناتج البلدان النامية من أجهزة الاستلام إلى أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، والمحولات، ومعدات الربط الشبكية المتزامنة
وستتطلب محطات أرضية لسواتل واحدة من طراز GW SBSP منطقة استراحة على أساس عدة كيلومترات مربعة قابلة للمقارنة على نطاق واسع بمزرعة شمسية أرضية كبيرة، ولا تشمل البنية التحتية العناصر المتلقية ذاتها فحسب، بل تشمل أيضا الوصول إلى الطرق، والمحيطات الأمنية، ونظم رصد الطقس، والشبكات الفرعية، وبالنسبة للنظم القائمة على الليزر، يمكن أن تكون منطقة الاستقبال أصغر بكثير، ولكن الحاجة إلى إيجاد نظم جغرافية واضحة.
التحديات الهندسية الحالية في توزيع السلطة
وعلى الرغم من أن هناك عقوداً من الدراسة والتقدم التدريجي، لا تزال هناك تحديات أساسية عديدة لم تحل على مستوى الهياكل الأساسية.
الكفاءة من نهاية إلى أخرى
:: إن أكثر القياسات أهمية بالنسبة لنظام SBSP هو الكفاءة من النهاية إلى النهاية: الجزء من طاقة ضوء الشمس الذي يتم جمعه في المدار والذي يصل في نهاية المطاف إلى شبكة الطاقة ككهرباء صالحة للاستخدام، وتتراوح أفضل التقديرات الحالية لنظام كامل من 10 في المائة إلى 25 في المائة، تبعاً للخيارات والافتراضات التكنولوجية، بينما يكون هذا قابلاً للاختلال أو أفضل من الطاقة الشمسية الأرضية عند حساب عامل القدرة (يعمل في إطار نظام SBSP) 24/7، كل نسبة مئوية من الخسائر في الإنتاج
الإدارة الحرارية في المدار
إن توزيع الطاقة في الفضاء مشكلة حرارية أساساً، فالخسائر الكهربائية في الخلايا الشمسية، والالكترونيات المكيفة للطاقة، والمضخات المصنوعة من الترددات المزودة بأجهزة الإشعاع، كلها عوامل تولد حرارة أكثر من اللازم للتخلّص من الفضاء، أما بالنسبة لنظام نظام SBSP متعدد الأشكال، فإن حمولة النفايات ضخمة على نحو كبير، وتولد من خلاله نماذج مصممة على نحو غير قابل للتطبيقات.
نقطة اليقظة والسلامة
إن نقل الطاقة غير المأذون به من مركبة فضائية في المدار الثابت بالنسبة للأرض إلى نقطة ثابتة على الأرض يتطلب توجيها دقيقا إلى شعاع الانتقال إلى أجزاء من درجة ما، ويجب أن يظل الشعاع هدفا حتى مع وجود اضطرابات في موقف المركبات الفضائية من الضغط الشمسي، والتدرج الحراري، والمناورات التي تُستخدم في حفظ المحطات، وعادة ما تكون الأشعة تحت الصفرية،
تكاليف الإطلاق والنشر
وتظل تكلفة إطلاق الكتلة المطلوبة للمدار الثابت بالنسبة للأرض هي الحاجز الاقتصادي المهيمن على نظام سبايدز، إذ يقدر أن يكون ساتل واحد من نوع GW SBSP قد يتسع بين 000 3 و 000 10 طن متري، تبعاً لافتراضات التكنولوجيا والكفاءة، وأن تكاليف الإطلاق الحالية التي تبلغ عدة آلاف دولار لكل كيلوغرام إلى GTO، فإن ميزانية الإطلاق وحدها ستبلغ عشرات بلايين الدولارات.
تكنولوجيا المعلومات
وهناك عدة تكنولوجيات ناشئة يمكن أن تتصدى للتحديات الأساسية المبينة أعلاه، مما ينتقل من مفهوم نظام الأفضليات المعمم إلى الواقع التجاري.
Ra Ra Ra Antennas and Adaptive Beamforming
إنّ الهوائيّة المُتدرجة هي العمود الفقري لجهاز SBSP الذي يُستخدم على الموجات الدقيقة، وتستخدم صفائف مُتدرجة من الألوف أو الملايين من وحدات الإرسال/التلقي، كلٌّ منها مُحوّل ومُضخم، لتكوين وقود الشعاع إلكترونياً دون أجزاء مُحرّكة.
الجمعية الآلية المستقلة والخدمة
ويتطلب بناء هيكل متعدد المستويات في المدار مستوى من التشغيل الآلي يتجاوز العمليات الفضائية الحالية، ويمكن للنظم الآلية الناشئة، مثل ] مفاهيم التجميع الممتازة التي يجري تطويرها في اليابان وغيرها من المؤسسات ، أن تُعالج النقل والمواءمة والربط بين عناصر الطاقة الموحّدة، بل إن هذه الآليات تعمل بدون رقابة بشرية في الوقت الحقيقي، باستخدام الرؤية الميكانيكية ووصلات الجاهزة للقوة.
الإدارة والتوزيع العاليي الفولط
أما نظام توزيع الطاقة الكهربائية داخل المركبة الفضائية SBSP فيجب أن يتعامل مع تيارات ضخمة في ارتفاع عال لتقليل الخسائر المقاومة في الأسلاك إلى أدنى حد، حيث تعمل نظم الطاقة الحالية ذات الكفاءات الفضائية في 28V أو 120V أو في النهاية العالية 300V DC.() ويجري النظر في فولتات من 1 كيلوفولت إلى 10 كيلوفولت أو أكثر، وهذا يتطلب تصميمات جديدة للكابلات والوصلات، والتبديلات، ونظم الحماية.
Advanced Energy Storage for Grid Integration
وعلى الرغم من أن نظام SBSP نفسه يوفر طاقة حمولة أساسية، فإن التكامل مع الشبكات الأرضية يتطلب تخزين الطاقة لإيقاف الانتقال من تغذية نظام SBSP إلى مصادر توليد أخرى، ومعالجة الأخطاء العابرة. ] تقييمات المواد الكيميائية لتكامل نظام SBSP ، وتبرز الحاجة إلى تخزين سريع يتزامن مع محطة العزلة.
خريطة طريق الهياكل الأساسية والخطوط الزمنية
ويمكن تقسيم المسار من المظاهرات المختبرية إلى الهياكل الأساسية التشغيلية لنظام سبايد إلى ثلاث مراحل، لكل منها معالم تقنية متميزة.
المرحلة 1: المظاهرات والتقييمات الفرعية (2025-2035)
خلال هذه المرحلة، يُتوقع من وكالات الفضاء الوطنية والشركات الخاصة أن تطلق نماذج فرعية إلى مدار أرضي منخفض أو مدار نقل ثابت بالنسبة للأرض، وهذه المظاهرات ستثبت سلاسل الطاقة النهائية على مستويات الطاقة من عشرات إلى مئات الكيلوتات، وتشمل الأهداف الرئيسية قياس كفاءة التحويل في المدار، واختبار أداء المجموعة المرحلية من الشعاع، مما يدل على وجود تجمع آلي مستقل من عوامل السلامة.
المرحلة 2: النظم الرائدة والخدمات التجارية المبكرة (2035-2045)
وإذا نجحت المرحلة الأولى، فإن الخطوة التالية هي نشر نظام تجريبي أو أكثر من نظم نظام SBSP على نطاق 10100 ميغاواط، وهذه النظم ستظل أصغر حجما من الرؤية الكبيرة، ولكنها ستكون كبيرة بما يكفي لتوليد الطاقة إلى العملاء الحقيقيين - مثل عمليات التعدين عن بعد، أو القواعد العسكرية، أو مواقع الإغاثة في حالات الكوارث - التي تؤدي إلى اعادة التوازن التجاري، وتشمل البنية الأساسية للمرحلة 2 موقعا مخصصا لإدارة المركبات الفضائية، ومعدات الربط الشبكي.
المرحلة 3: البنية التحتية الكاملة للجيغاوات (2045-2060)
وتشمل المرحلة النهائية توسيع نطاق استخدام سواتل متعددة الأشكال، مما يتطلب وجود سواتل متعددة في المدار الثابت بالنسبة للأرض تخدم شبكة عالمية من محطات الاستجمام، وتشبه البنية الأساسية لتوزيع الطاقة في هذا الجدول سد كبير للطاقة الكهرمائية أو محطة للطاقة النووية، ولكنها تنتشر عبر الأجزاء الفضائية والأرضية، وستكون المعايير الدولية لتخصيص الترددات، وسلامة الحزم، والربط الشبكي، أساسية على مدار الساعة.
الأبعاد البيئية والأمنية والتنظيمية
ويثير نشر البنية التحتية لنظام سبايدز مسائل هامة تتعلق بالبيئة والسلامة يجب معالجتها من خلال التنظيم والمعايير.
أما الشاغل الرئيسي في مجال السلامة فهو الشعاع نفسه، أما بالنسبة لنظم الموجات الدقيقة، فإن كثافة الطاقة في موقع الارتداد مصممة بحيث تكون أقل من حدود التعرض الدولية، ولكن يجب أن تحتوي الشعاع على حدود الارتداد، وقد يؤدي فقدان التحكم في توجيه الموجات إلى شعاع يخترق المناطق المأهولة بالسكان، مما يتسبب في أضرار، كما أن نظم السلامة الخفية - بما في ذلك أجهزة الاستشعار الساتلية غير المرئية، والتتبع المستند إلى الشعاعي.
وتشمل الآثار البيئية استخدام الأراضي في محطات الاستجمام، والتدخل المحتمل في سواتل علم الفلك والاتصالات اللاسلكية، والطاقة والانبعاثات المرتبطة ببدء البنية التحتية، وتشير تقييمات دورة الحياة إلى أن نظام سبيبس له أثر كربوني مماثل للشمس الأرضية عندما يستهلك على مدى عمر النظام، ولكن تصنيع الخلايا الشمسية والالكترونيات ذات الدرجات الفضائية أكثر كثافة من حيث الطاقة.
ولا تزال الأطر التنظيمية مبعثرة، وسيحتاج الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية إلى تخصيص طيف لفرق النقل التابعة لنظام سبايدز، مع توفير الحماية للمستعملين الحاليين، ويمكن للجنة الأمم المتحدة المعنية باستخدام الفضاء الخارجي في الأغراض السلمية أن تضع مبادئ توجيهية بشأن سلامة الحزم والتخفيف من الحطام المداري، وستضطلع الهيئات التنظيمية الوطنية، مثل لجنة الاتصالات الاتحادية التابعة للولايات المتحدة وإدارة الطيران الاتحادية، باختصاص منسق بشأن عمليات الإطلاق الأرضية.
الخلاصة: يجب أن نبني البنية التحتية
ومستقبل البنية التحتية لتوزيع الطاقة الشمسية الفضائية ليس تكنولوجيا واحدة أو مشروع واحد - وهو نظام مطبق من النظم، ومدار ممتد، وغلاف جوي، وأرض - فالمكونات الرئيسية - الكترونية للطاقة العالية الكفاءة، والصفائف المرحلية النموذجية، وآليات التجميع المستقلة، والإدارة الحرارية المتقدمة، والتكامل الذكي على الشبكة - كلها تتقدم بشكل مستقل، مدفوعة بالطلب من قطاعات أخرى مثل الاتصالات السلكية واللاسلكية، والدفاع، والبيئة الأرضية.
لقد كان التقدم المحرز خلال العقد الماضي حقيقياً، البرامج الوطنية المتعددة، من مبادرة وكالة الفضاء الأوروبية (سولاريس) إلى اختبار الطاقة الفضائية في الصين، تتحرك من الدراسات الورقية إلى المظاهرات في مجال المعدات، والشركات الخاصة، بما في ذلك بدء تشغيلها على نقل الطاقة اللاسلكية والتجمع داخل المدار، تدخل الميدان بنُهج جديدة، وتبرز تحديات البنية التحتية الموصوفة في هذه المادة، ولكنها غير قابلة للتنبؤ.
ولن تحدث الطاقة الشمسية الفضائية بين عشية وضحاها، ولن تكون رخيصة، ولكن البنية التحتية التي نبنيها اليوم في المختبرات، وفي الهيئات المعنية بالمعايير، وفي شكل معدات نموذجية، هي أساس نظام الطاقة في النصف الأخير من القرن الحادي والعشرين، ونظام يوصل الطاقة النظيفة والوافرة والواسعة دائما من المدار، ينطوي على إمكانية إعادة تشكيل أسواق الطاقة العالمية، ويعجل بعملية إزالة الكربون، ويوفّر بالفعل سبلاً أساسية حيوية لتوزيع الطاقة.