بث الطاقة النظيفة من الفضاء – “مشروع غير عادي وغير مسبوق لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا”
كانت التكنولوجيا القادرة على جمع الطاقة الشمسية في الفضاء ونقلها إلى الأرض لتوفير إمدادات عالمية من الطاقة النظيفة وبأسعار معقولة تعتبر خيالًا علميًا في يوم من الأيام. الآن يقترب أكثر من الواقع. من خلال مشروع الطاقة الشمسية الفضائي (SSPP)
، يعمل فريق من الباحثين في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) على نشر مجموعة من المركبات الفضائية المعيارية التي تجمع ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء، ثم ينقل تلك الكهرباء لاسلكيًا أينما دعت الحاجة.. يمكنهم حتى إرسالها إلى الأماكن التي ليس لديها حاليًا إمكانية الوصول إلى طاقة موثوقة.
“هذا مشروع غير عادي وغير مسبوق”، كما يقول هاري أتواتر، الباحث في برنامج SSPP ورئيس Otis Booth الرئيسي لقسم الهندسة والعلوم التطبيقية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. “إنها تجسد الجرأة والطموح اللازمين لمواجهة أحد أهم التحديات في عصرنا، وتوفير طاقة نظيفة وبأسعار معقولة للعالم.”
يقود أتواتر، وهو أيضًا أستاذ هوارد هيوز للفيزياء التطبيقية وعلوم المواد، المشروع بالاشتراك مع باحثين آخرين: على هاجيميري ، أستاذ Bren للهندسة الكهربائية والمدير المشارك لـ SSPP؛ وسيرجيو بيليجرينو ، أستاذ جويس وكينت كريسا للفضاء والهندسة المدنية، والمدير المشارك لـ SSPP، وكبير الباحثين في مختبر الدفع النفاث (JPL).
يعتمد تسخير الطاقة الشمسية في الفضاء على تطورات خارقة في ثلاث مجالات رئيسية:
- تقوم مجموعة Atwater البحثية بتصميم الخلايا الكهروضوئية خفيفة الوزن وعالية الكفاءة (المواد التي تحول الضوء إلى كهرباء) والتي تم تحسينها لظروف الفضاء ومتوافقة مع نظام تحويل ونقل طاقة معياري متكامل.
- يعمل فريق أبحاث هاجيميري على تطوير تقنية منخفضة التكلفة وخفيفة الوزن اللازمة لتحويل الطاقة الحالية المباشرة إلى طاقة التردد اللاسلكي (التي تُستخدم لنقل إشارات الهاتف الخلوي، على سبيل المثال) وإرسالها إلى الأرض كأجهزة ميكروويف. يوضح هاجيميري أن العملية آمنة. الإشعاع غير المؤين على السطح أقل ضررًا من الوقوف في الشمس. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إغلاق النظام بسرعة في حالة حدوث تلف أو عطل.
- تعمل مجموعة بيليجرينو على ابتكار هياكل فضائية قابلة للطي وفائقة النحافة وخفيفة الوزن لدعم الخلايا الكهروضوئية بالإضافة إلى المكونات اللازمة لتحويل طاقة التردد اللاسلكي ونقلها وتوجيهها إلى حيث تكون مطلوبة.
الوحدة الأساسية للنظام التي تصورها الباحثون هي بلاطة مقاس 4 بوصات في 4 بوصات تزن أقل من عُشر أونصة. مئات الآلاف من هذه البلاطات سوف تتحد في نظام من الأقمار الصناعية الشبيهة بالسجاد الطائر والتي بمجرد أن تفتح، ستخلق سطحًا يجمع ضوء الشمس بمساحة 3.5 ميل مربع.
تم دعم العمل في برنامج SSPP بأكثر من 100 مليون دولار بتمويل من دونالد برين، رئيس شركة Irvine وعضو مدى الحياة في مجتمع Caltech ، وزوجته، بريجيت برين، وصية معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. قدمت شركة نورثروب جرومان التمويل لدراسات الجدوى الأولية.
ناقش أتواتر وهاجيميري وبيليجرينو التقدم الذي أحرزوه – والإمكانات التحويلية للطاقة الشمسية القائمة على الفضاء – مع اقتراب المشروع من مرحلة بارزة: إطلاق تجريبي لنماذج أولية في الفضاء في ديسمبر 2022.
تدمج مجموعة من الألواح الشمسية الصغيرة التي تشكل جزءًا من مشروع الطاقة الشمسية الفضائية، الخلايا الكهروضوئية ودوائر نقل الطاقة ودمج توجيه الحزمة. الائتمان: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
وصف الرؤية الكامنة وراء مشروع الطاقة الشمسية الفضائي. كيف تبلور المشروع؟
سيرجيو بيليجرينو: منذ أكثر من 10 سنوات، في عام 2011، بدأت المحادثات مع دونالد برين يسأل عما إذا كان لدى معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أي أفكار عندما يتعلق الأمر بالبحث في مجال الطاقة المستدامة والفضاء. بدأنا نناقش، مع مجموعة من أعضاء هيئة التدريس، طرق البناء على اهتماماتنا وما كان يحدث في كل مجال من مجالاتنا والذي قد يؤدي إلى مبادرة بحثية مؤثرة للغاية. على مدى بضعة أشهر، توصلنا إلى رؤية – أسميتها حلمًا – لثلاثة أو أربع اختراقات تكنولوجية من شأنها، مجتمعة، أن تغير الطريقة التي تم بها اقتراب الطاقة الشمسية في الفضاء سابقًا.
علي هاجيميري: هذا المفهوم كان في الماضي خيال علمي بحق. ما جعل من الممكن بالنسبة لنا التفكير في نقلها من عالم الخيال العلمي إلى عالم الواقع هو مزيج من التطورات التي تحدث في الخلايا الكهروضوئية في مختبر هاري، وفي الهياكل في مختبر سيرجيو، وفي نقل الطاقة لاسلكيًا، وهو ما يحدث في بلدي. مختبر. أدركنا أنه يمكننا الآن متابعة الطاقة الشمسية الفضائية بطريقة تصبح عملية واقتصادية.
أحد الأسئلة الأولى التي يطرحها أي شخص هو، “لماذا تريد وضع الخلايا الكهروضوئية في الفضاء؟” حسنًا، في الفضاء، حيث لا يوجد لديك ليل نهار وغيوم وأشياء من هذا القبيل، تحصل على طاقة أكثر بنحو ثمانية أضعاف. تتمثل رؤية هذا البرنامج في أن تكون قادرًا على توفير أكبر قدر ممكن من الطاقة التي تحتاجها، وحيث تحتاج إليها، وعندما تحتاج إليها.
(من اليسار إلى اليمين) الأساتذة سيرجيو بيليجرينو وهاري أتواتر وعلى هاجيميري. الائتمان: ستيف بابولجاك لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
ما هو التقدم الذي أحرزته في تحقيق هذه الرؤية الطموحة؟
Pellegrino : على مدار عامين، قمنا ببناء وعرض نموذج أولي للبلاط. هذا هو العنصر المعياري الأساسي الذي يلتقط ضوء الشمس وينقل الطاقة. من خلال هذه العملية، تعلمنا العديد من الأشياء حول كيفية تصميم أنظمة متكاملة للغاية وخفيفة الوزن من هذا النوع. ثم طورنا نموذجًا أوليًا ثانيًا، أخف بنسبة 33 بالمائة من الأول.
هاجيميري: هذا البلاط هو لبنة البناء، كما ذكر سيرجيو، للنظام الأكبر. يجب أن تعمل بكامل طاقتها ومتوافقة وقابلة للتطوير. على الرغم من أنه قد يبدو بسيطًا، إلا أنه في الواقع معقد جدًا. يتم تثبيت هذا البلاط على هيكل مرن للغاية يمكن طيه ليناسب مركبة الإطلاق. بمجرد النشر، يتوسع الهيكل، وتعمل المربعات في تناسق وفي تزامن لتوليد الطاقة وتحويلها ونقلها بالضبط حيث تريدها وليس في أي مكان آخر.
ماذا يمكنك أن تخبرنا عن المرحلة التالية في هذا المشروع؟
أتواتر: لا يصبح الأمر حقيقيًا حتى تذهب إلى الفضاء بالفعل. كما وصف سيرجيو ووعلي،قمنا بتوضيح عنصر الوحدة الأساسي هذا المسمى بلاطة في مختبراتنا. كان أحد الدروس المستفادة من هذه السلسلة من العروض هو أن المسار الذي يتعين علينا اتباعه للخلايا الكهروضوئية يجب أن يتغير بشكل أساسي. كنا نعمل مع ما سأسميه المواد الكهروضوئية التقليدية، والتي كان لابد من تصميمها في شكل يجعل من الصعب الوصول إلى الكتلة لكل وحدة مساحة وأهداف طاقة محددة، لذلك كان علينا إعادة التفكير بشكل أساسي في الخلايا الكهروضوئية إستراتيجية بالكامل. ونتيجة لذلك، فإن فئات الأجهزة الكهروضوئية التي نختبرها في الفضاء لم تطير في الفضاء من قبل.
بيليجرينو : تحتوي معظم المركبات الفضائية اليوم على مصفوفات شمسية – خلايا فلطائية ضوئية مرتبطة بهيكل حامل – ولكن ليس مع هذا النوع من المواد ولم يتم طيها وفقًا للأبعاد التي حققناها. باستخدام تقنيات الطي الجديدة، المستوحاة من الأوريجامي ، يمكننا تقليل أبعاد مركبة فضائية عملاقة للإطلاق بشكل كبير. العبوة محكمة الإغلاق بحيث تكون خالية بشكل أساسي من أي فراغات.
هاجيميري : لم يتم إثبات نقل الطاقة اللاسلكي من هذا النوع في الفضاء. كما أننا نظهر ذلك بموادنا المرنة وخفيفة الوزن، وليس بالضرورة الهيكل الصلب. هذا يضيف التعقيد.
عندما تصبح الطاقة الشمسية الفضائية حقيقة واقعة، ما هو تأثيرها على المجتمع؟
هاجيميري: سيحدث ثورة في طبيعة الطاقة والوصول إليها بحيث تصبح موجودة في كل مكان، وتصبح طاقة قابلة للنشر. يمكنك إرسالها أينما تريد. تتم إعادة توجيه الطاقة هذه بدون أي حركات ميكانيكية، من خلال الوسائل الكهربائية البحتة باستخدام مجموعة تركيز، مما يجعلها سريعة للغاية.
أتواتر: أعتقد أنه يمكن للمرء أن يقول إن رؤية برينس كانت فعلاً فعل شيء، كما ذكر علي، نشأ في الأصل تقريبًا من الخيال العلمي، لفعل شيء من شأنه أن يصبح مصدرًا واسع النطاق للطاقة للعالم.
بيليجرينو : انضم إلينا متعاونون مع مختبر الدفع النفاث إلى فريقنا، وأصبح هذا التعاون قويًا ومفيدًا لنا عندما نبدأ في التفكير في عروض الفضاء هذه. إن النقاش حول الطاقة التي كانت مقصورة ضمنيًا على تزويد الأرض بالطاقة يمتد في الواقع إلى استكشاف الفضاء أيضًا. نحن نفتح فصولًا جديدة بالطريقة التي يفكر بها مختبر الدفع النفاث في المهمات المستقبلية.
عند الحديث عن التعاون، كان العمل عبر مجالات البحث جزءًا لا يتجزأ من نجاح SSPP. كيف كان شعورك بالعمل معًا بشكل مكثف على مدار مشروع طويل الأمد؟
هاجيميري : الطلاب، وباحثو ما بعد الدكتوراة، كلنا كنا نعمل عن كثب، وكنا نتعلم الكثير عن مجالات بعضنا البعض. ينتج عن هذا شيء أكثر من مجموع أجزائه، سواء من حيث النتيجة النهائية للمشروع أو من حيث التدريب الذي يتلقاه الطلاب. هذا التدريب مهم للغاية لمستقبل تكنولوجيا الفضاء، سواء كان لنقل الطاقة اللاسلكية، أو الاتصالات، أو الهياكل الفضائية، أو جميع أنواع التطبيقات الأخرى التي لم نفكر فيها حتى الآن.
أتواتر: كان لديّ عمري سابق أعمل في الخلايا الكهروضوئية ولكن لم أتخيل مطلقًا في أعنف أحلامي أنني سأشارك في الفضاء حتى تأتي هذه الفرصة معًا. وبالنسبة لي، كانت نافذة على عالم جديد تمامًا من العلوم. لقد كان هذا مثيرًا للغاية.
بيليجرينو : في بعض الأحيان، يبدو الأمر وكأننا ندفع زملائنا للقيام بشيء يعتقدون أنه مستحيل، ولكن تبين لاحقًا أنه ليس مستحيلًا. هذا مجرد شعور رائع. إنه نوع مختلف من البحث، حيث تبذل قصارى جهدك في مجالك الخاص، لكنك أيضًا تستفيد من الواجهة مع المجالات الأخرى، وهو نظام جماعي سيفيد المجتمع حقًا. إن إفادة المجتمع أمر أكثر تفصيلاً من القيام بعمل جيد في منطقتك. إنه أكثر صعوبة بكثير.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
