Table of Contents
مستقبل الطائرات ذات الطاقة الشمسية: الفرص والهدايا التقنية
وتمثل الطائرات ذات الطاقة الشمسية واحدة من أكثر الحدود واعدة في مجال الطاقة المتجددة وتكنولوجيا الطيران، حيث إن القلق بشأن كثافة تغير المناخ وصناعة الطيران تواجه ضغوطا متزايدة لتطهيرها من الكربون، فقد أصبحت تنمية خيارات الطيران المستدامة أولوية للمهندسين والعلماء في جميع أنحاء العالم، وخلافا للطائرات التقليدية التي تحرق وقود الطائرات المزودة بالطاقة الشمسية وتجنيب الطاقة مباشرة من ضوء الشمس، مما يتيح إمكانية حدوث تقدم في عمليات إنتاج الطاقة الكهربائية القريبة من الصفر.
السياق التاريخي: من مفهوم إلى الرحلات الجوية المسببة للسجلات
"الحلم بالطيران الشمسي يعود إلى السبعينات" "عندما قام فريق "بول ماكريدي بتخطي "الطائرة الشمسية" في عام 1981" "وهذا ما كان عليه الحال في "الطائرة الشمسية
الفرص الرئيسية في الطيران ذي الدفع الشمسي
رحلة بحرية غير محدودة
إن أكثر الفرص تحولا التي تتيحها الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية هي إمكانية على نحو غير محدود على الإطلاق لفترة الطيران ، وما دامت الطائرات تستطيع جمع الطاقة الشمسية الكافية أثناء اليوم لتوليد الطاقة الكهربائية لنظمها وإعادة شحن بطارياتها ليلا، فإنها يمكن أن تظل محمولة جوا لأسابيع أو أشهر أو حتى سنوات، وهذه القدرة مستحيلة على المراقبة المحدودة للوقود التقليدية.
Reduced Environmental Impact
ويُعزى إلى الطيران حالياً نحو 2.5 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية، وهذه الحصة آخذة في الازدياد، بينما تنتج الطائرات ذات الطاقة الشمسية [(FLT:0)](0) انبعاثات مباشرة أثناء التحليق ) وبينما يكون تصنيع الخلايا الشمسية والبطاريات أثر بيئي، فإن انبعاثات دورة الحياة التشغيلية أقل بكثير من انبعاثات الطائرات ذات الوقود الأحفوري - خاصة في ارتفاعات عالية.
New Market Opportunities: High-Altitude Pseudo-Satellites (HAPS)
ومن أكثر حالات الاستخدام واعدا للطائرات ذات الطاقة الشمسية، كما هو الحال بالنسبة للطائرات ذات القدرة الشمسية، حيث يمكن أن تكون هذه الطائرات ذات القدرة العالية على الارتفاع، كما أنها تقدم تغطية مستمرة للاتصالات السلكية واللاسلكية، والوصل عبر شبكة الإنترنت، ورصد الكوارث، وتزيد من المرونة في مشروع " HFLT:2 " (18 إلى 25 كيلومترا)، وتستبدل الحركة الجوية التجارية، ويمكن أن توفر تغطية مستمرة للاتصالات السلكية واللاسلكية، وصيانة النظم الأرضية، ورصد التكاليف التكميلية.
العمليات الصامتة والفعالة
فالطائرات ذات الطاقة الشمسية هادئة بطبيعتها لأنها تستخدم محركات كهربائية بدلا من محركات الاحتراق، وهذه العملية ] البطيئة تجعلها مثالية بالنسبة للبعثات التي تتطلب توقيعات منخفضة الصوت، مثل رصد الحياة البرية، ودورية الحدود، والاستطلاع العسكري. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الدفع الكهربائي يتسم بالكفاءة العالية، ويحول أكثر من 90 في المائة من الطاقة الكهربائية إلى تكاليف دفع، مقارنة بنسبة 30 في المائة
التكنولوجيات الأساسية التي تمكن من الحصول على الرحلة الشمسية
ولفهم العقبات التقنية، من الضروري أولاً فهم التكنولوجيات الرئيسية التي تجعل الطيران بالطاقة الشمسية ممكناً، ويجب أن تعمل هذه النظم معاً دون هوادة، وأي صلة ضعيفة تحد من الأداء العام.
الخلايا الفولطية
وتُعدّ الأفرقة الشمسية قلب أي طائرة شمسية، ويجب أن تكون ] ذات كفاءة عالية ] في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، ومع ذلك فإن الوزن الضئيل لا يكفي للتعرض لأداء الرحلات الجوية.
نظم تخزين الطاقة
(أ) بما أن الطاقة الشمسية متقطعة - غير متاحة في الليل ومخفضة تحت الغيوم - - فإن تخزين الطاقة بكفاءة بالغ الأهمية .
مواد وهيكلات الوزن الخفيف
إن كل جرام يُعنى بطائرة تعمل بالطاقة الشمسية - يجب أن يكون الإطار الجوي خفيف الوزن ] ومع ذلك، فإنه قوي بما يكفي لمواجهة ضغوط الطيران، ولا سيما في ارتفاعات عالية حيث يكون الغلاف الجوي رقيقة.
نظم التبريد الكهربائي
إن السيارات الكهربائية الفعالة والزواحف ضرورية، ومحركات البلدان النامية الحديثة غير المشبع بالبراعة ]، مقرونة بمتحكمي الوزن الخفيف، يمكن أن تحقق الكفاءة أكثر من 95 في المائة، ويجب أن يكون مقدم الوقود على النحو الأمثل لنظام الطيران المحدد - السرعة المنخفضة والارتفاع المرتفعة عادة، وتستخدم بعض التصميمات مركبات صغيرة موزعة على طول الجناح لتحسين الكفاءة.
أهم العقبات التقنية
بالرغم من الوعد، هناك العديد من العقبات التقنية الهائلة بين الطائرات الشمسية التجريبية اليوم والنشر العملي الواسع النطاق.
الحد من كثافة الطاقة
التحدي الأساسي هو أن هناك فجوة في كثافة الطاقة بين نظم البطاريات الشمسية و الوقود الأحفوري، حتى أفضل البطاريات الحالية تقل الطاقة عن الوقود الطائش، كما أن الألواح الشمسية تزيد الوزن وتولد الطاقة خلال النهار
Weather and Cloud Cover
وتعتمد الطائرات ذات الطاقة الشمسية اعتمادا كبيرا على الأحوال الجوية .() وتخفض السحابات والهباء بشكل كبير الإشعاع الشمسي، وتخفض حتى سحابات السير الرقيقة من إنتاج الألواح الشمسية بنسبة تتراوح بين 30 و50 في المائة، مما يعني أن تخطيط البعثات يجب أن يُشكل أنماطا جوية موسمية وإقليمية.
ضوئيات الوزن والهيكل
ولا بد أن يؤدي إضافة الألواح والبطارات الشمسية إلى زيادة وزن الطائرات، إذ إن عقوبة الوزن تقلل من قدرة الحمولة وتحد من المرونة التشغيلية، ويجب على المهندسين أن يتبادلوا بين أجنحة أكبر جمع طاقة شمسية أكبر، ولكنهم يضيفون كميات كبيرة من الذبابات، ويمكن أن تحمل هياكل أقوى بطاريات أكثر ولكنها أثقل، والحاجة إلى مناطق أجنحة كبيرة لاستيعابها تؤدي إلى تحقيق استقرارها إلى ارتفاع نسبها.
خط العرض والزمام
وبالنسبة لتطبيقات الارتفاع العالية مثل نظام HAPS، يجب أن تعمل الطائرات في طبقة الاستراتوسفير حيث يمكن أن تنخفض الحرارة إلى أقل من 70 درجة مئوية . كما أن درجات الحرارة الباردة تقلل من أداء البطاريات ويمكن أن تسبب المواد في الرشوة، وعلى العكس من ذلك، فإن الألواح الشمسية والإلكترونيات تولد حرارة يجب إدارتها لتجنب الإفراط في التسخين.
دال - القابلية للاستمرار والقابلية للاعتماد
ويجب أن تعمل الطائرات الشمسية المصممة لبعثات طويلة الأجل لمدة أسابيع أو أشهر دون صيانة، وهذا يتطلب وجود مقومات عالية جداً بالنسبة لجميع المكونات: السيارات والبطاريات والألواح الشمسية ونظم المراقبة، ولا يمكن أن يؤدي الإشعاع فوق البنفسج على ارتفاعات عالية إلى الحد من المواد، ولا يمكن أن يؤدي تراكم الجليد على الألواح إلى الحد من الكفاءة.
الابتكارات والنهج
ويتبع المهندسون مجموعة متنوعة من استراتيجيات التصميم للتغلب على هذه العقبات.
فريقا سولار متكاملا
(أ) بدلاً من ربط الألواح بالأجنحة الموجودة، تصاميم حديثة ] دمج الخلايا الشمسية مباشرة في هيكل الجناح ، مما يقلل من الوزن وسحب الأيرودينامي، وتستكشف بعض المشاريع خلايا شمسية مرنة يمكن أن تتوافق مع أسطح الأجنحة المكشوفة، بل وحتى خلايا شفافة لاستخدامها في الأمكنة أو النوافذ.
ورشات الدفن والهيكلات التكيفية
ولتحسين الكفاءة عبر مختلف ظروف الطيران، يقوم الباحثون بتطوير أجنحة الصدر التي يمكن أن تتغير شكلها، فعلى سبيل المثال، يمكن للأجنحة أن تمتد لتشمل توفير مساحة أكبر من الألواح الشمسية خلال اليوم الذي ترتفع فيه الطائرة، ثم تتراجع لتقليل الجر في الليل، وتظل هذه المفاهيم في المرحلة التجريبية ولكنها يمكن أن تحسن الأداء العام بشكل كبير.
المفاهيم الهجينة - الكهربائية والباحثة عن علم
وثمة نهج آخر يتمثل في الجمع بين الطاقة الشمسية ومصادر الطاقة الأخرى. يمكن للطائرات الكهربية الهجينة ] أن تستخدم الألواح الشمسية لتوسيع نطاق استهلاك الوقود أو خفضه دون الاعتماد كليا على الطاقة الشمسية، فعلى سبيل المثال، يمكن لنظام المساعدة الشمسية أن يعيد شحن البطاريات أثناء الرحلات البحرية، مما يتيح للطائرة التقليدية استخدام محركات أصغر حجماً وحرق الوقود أقل من الناحية التكنولوجية.
الرحلة الجوية المستقلة و AI
وقد صُممت طائرات شمسية عديدة لتكون مُجرّدة أو مُجرّبة عن بعد ]، مما يقلل الحاجة إلى نظم دعم الحياة ويتيح مسارات طيران أكثر كفاءة، ويمكن أن تُستخدم نظم إدارة الرحلات الجوية التي يقودها آي الاستخدام الأمثل للطاقة عن طريق تعديل الارتفاع والسرعة والتوجه على أساس الإشعاع الشمسي وبطارية الزمن الحقيقي، كما يمكن لهذه النظم أن تنبّئ أنماط الطقس للتخطيط لدورات التوليد.
الطلبات: حيث تُحتمل الطائرات الشمسية أن تُحدث اختلافاً
وفي حين أن طائرات الركاب التي تعمل بالطاقة الشمسية لا تزال بعيدة المنال، فإن العديد من التطبيقات القريبة الأجل قابلة للتطبيق من الناحية الاقتصادية.
الرصد البيئي والعلم
ويمكن للطائرات ذات الطاقة الشمسية أن تحمل أجهزة استشعار لرصد نوعية الهواء، وتركيزات غازات الدفيئة، والتنوع البيولوجي، وصحة المحيطات ] على مناطق شاسعة لفترات طويلة، ويمكنها تعقب الحرائق البرية، والانسكابات النفطية، وإزالة الغابات في الوقت الحقيقي، وقدرة القاطرة على موقع محدد لأيام أو أسابيع توفر بيانات لا يمكن أن تضاهيها السواتل بسبب القيود المدارية.
الاتصالات السلكية واللاسلكية وشبكة الإنترنت
Companies like Airbus (Zephyr)] and HAPSMobile] (a joint venture between SoftBank and AeroVironment) are developing stratospheric solar aircraft to provide bbandnet([
الاستجابة في حالات الطوارئ والإغاثة في حالات الكوارث
وبعد كارثة طبيعية، يمكن نشر الطائرات الشمسية بسرعة لتوفير ] توصيلات الاتصالات والمراقبة الجوية ] عندما تدمر الهياكل الأساسية الأرضية، ويعني استمرارها الطويل أنها يمكن أن تبقى في محطة لمدة أيام، وتنسيق جهود الإنقاذ وتقييم الأضرار.
الشؤون العسكرية والدفاع
والمنظمات العسكرية مهتمة بالأجهزة الهشائية ذات الطاقة الشمسية لـ ] المكثفة من الاستخبارات والمراقبة والاستطلاع ] (ISR) ويمكن لهذه المنصات أن تعمل لشهور دون تزويدها بالوقود، وتوفر التغطية المستمرة على مسرح العمليات، كما أنها أقل ضعفا من السواتل التي تستخدم في الأسلحة المضادة للسواتل، ويمكن استعادتها ونقلها.
Economic Viability and Industry Challenges
ولا تزال اقتصاديات الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية غير مؤكدة، إذ أن تكاليف التنمية الحالية مرتفعة لأن كل طائرة هي أساسا نموذج أولي، إذ أن تكاليف التصنيع بالنسبة للألواح والبطارات الشمسية الخفيفة الوزن لا تزال أعلى بكثير من تكاليف العناصر التجارية التي تقطع عن القوقع، إذ أن القدرة المحدودة على تحميل الطائرات الشمسية تحد من إمكاناتها في توليد الدخل، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستنشاق ذات الدرجة الصفرية لا يمكن أن تحمل سوى نحو ٢٠ إلى ٣٠ كغم من وسائل الاتصال.
التحديات التنظيمية والجوية في الفضاء
ويطرح إدماج الطائرات ذات الطاقة الشمسية في المجال الجوي الحالي تحديات تنظيمية، وتعمل هذه الطائرات في الغلاف الجوي العلوي، الذي يتجاوز حركة الطيران التجاري ولكنه لا يزال خاضعاً للوائح الوطنية والدولية. كما أن القواعد ] في جميع البلدان للحصول على شهادات، وتخصيص الترددات للاتصالات، وتجنب الاصطدام يتطلب تنسيقاً بين سلطات الطيران مثل نظامي الطيران FA و EASA.
The Road Ahead: Future Outlook
وفي الوقت نفسه، فإن أهم عمليات الانجاز ستكون من ] مستلزمات تخزين الطاقة و] [تمكّن الخلايا الشمسية -] . وإذا كان يمكن للبطاريات أن تصل إلى 500-600 Whg، وتحقق الخلايا الشمسية كفاءة بنسبة 40 في المائة بتكلفة معقولة، فإن حجم الأداء المتوقع للطائرات الشمسية سيستمر بشكل كبير.
وهناك مشاريع طموحة عديدة جارية، كما أن مؤسسة الإفلاس الشمسي تواصل تعزيز التكنولوجيات النظيفة، كما أن وكالة الفضاء الأوروبية تدعم مبادرات HAPS. وفي اليابان SftBank's HAPSMile-20obile [FT:5]
ومن غير المرجح أن تحل الطاقة الشمسية محل وقود الطائرات النفاثة في المستقبل المنظور، حيث أن فجوة كثافة الطاقة كبيرة جدا، ولكن بالنسبة إلى ] [التطبيقات الكيميائية التي تحفز على تحملها، والضوضاء المنخفض، والانبعاثات الصفرية ، فإن الطائرات ذات الطاقة الشمسية تستعد لتصبح جزءا هاما من نظام مراقبة الحركة الجوية على مدى العقدين المقبلين.
For further reading, see:]