انتقال بی‌سیم برق از فضا به زمین؛ پروژه نیروگاه‌های خورشیدی مداری

مقدمه و بررسی اولیه

رهایی از قید چرخه شب و ابرهای جوی در جذب تابش خورشیدی

بزرگ‌ترین پاشنه آشیل مزارع خورشیدی زمینی، ناپایداری ذاتی (Intermittency) آنهاست؛ شب‌ها خورشیدی در کار نیست، در زمستان و روزهای بارانی تابش به شدت افت می‌کند و غبار و جذب اتمسفری تا بیش از ۵۰ درصد از انرژی فوتون‌ها را پیش از رسیدن به پنل‌ها تلف می‌نماید. این عدم تداوم سبب شده تا کشورها همچنان به نیروگاه‌های فسیلی آلاینده به عنوان بار پایه شبکه (Base-load) متکی باشند یا متحمل هزینه‌های میلیارد دلاری برای احداث مگاباتری‌های ذخیره‌ساز شوند.

ایده فرار از این محدودیت‌ها با ارسال ایستگاه‌های خورشیدی به ورای جو زمین، نخستین بار در دهه‌های گذشته مطرح شد، اما هزینه سرسام‌آور پرتاب فضایی مانع تحقق آن بود. امروزه با کاهش شگفت‌انگیز هزینه پرتاب به کمتر از ۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم به لطف فضاپیماهای غول‌پیکر باقابلیت استفاده مجدد کامل، پروژه انرژی خورشیدی فضاپایه (SBSP) سرانجام از رویاهای علمی‌تخیلی به یک واقعیت اقتصادی تجاری تبدیل شده است.

در ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری در مدار زمین‌آهنگ (GEO)، خورشید هرگز غروب نمی‌کند. شدت تابش مستقیم خورشیدی در این مدار بیش از ۱۴۰۰ وات بر مترمربع است (در برابر حدود ۱۰۰۰ وات در ظهر گرم‌ترین صحراهای زمین) و پنل‌ها می‌توانند بیش از ۹۹ درصد از ساعات کل سال را با حداکثر راندمان به تولید الکتریسیته بپردازند.

فیزیک انتقال بی‌سیم توان (WPT) با امواج مایکروویو فرکانس ۵.۸ گیگاهرتز

چالش حیاتی در معماری SBSP، چگونگی رساندن این حجم عظیم الکتریسیته از فاصله ۳۶ هزار کیلومتری مدار به شبکه برق زمینی بدون کشیدن سیم است. پاسخ در فیزیک پیشرفته «انتقال بی‌سیم توان» (Wireless Power Transmission) نهفته است. در این ماهواره‌ها، برق DC تولیدشده توسط آرایه‌های سلول خورشیدی گالیم-آرسنید با راندمان بالا، به امواج الکترومغناطیسی متمرکز در باند فرکانسی ۵.۸ گیگاهرتز (باند ISM) تبدیل می‌شود.

استفاده از آرایه‌های فازی فعال با میلیون‌ها آنتن مایکروویو نانومتری اجازه می‌دهد تا پرتو انرژی با هدایت الکترونیکی فوق‌العاده دقیق و بدون نیاز به حرکت مکانیکی ماهواره به سمت گیرنده زمینی نشانه برود. فرکانس ۵.۸ گیگاهرتز ویژگی بی‌نظیری دارد: امواج این فرکانس با کمترین تلفات جذب (کمتر از ۲ درصد) از ضخیم‌ترین ابرها، باران‌های سیل‌آسا و لایه‌های یونوسفر زمین عبور می‌کنند و بارانی پایدار از انرژی پاک را روانه خاک می‌نمایند.

ساختار مزارع گیرنده زمینی (Rectenna) و ایمنی زیست‌محیطی تابش

در سطح زمین، امواج تابیده‌شده توسط مزارع توری‌شکل آنتن‌های یکسوساز موسوم به «رکتنا» (Rectenna) دریافت می‌شوند. این سازه‌ها برخلاف پنل‌های خورشیدی، ساختاری شفاف شبیه به حصارهای مشبک سیمی دارند و تا ۹۰ درصد نور طبیعی خورشید را از خود عبور می‌دهند. این ساختار بدان معناست که زمین زیرین رکتناها می‌تواند برای کشاورزی ارگانیک، چرای دام یا حفظ پوشش گیاهی به کار گرفته شود.

رکتناها امواج مایکروویو دریافتی را با دیودهای شاتکی فوق‌سریع با راندمان بازیافت بیش از ۸۵ درصد مجدداً به برق DC تبدیل کرده و مستقیماً به ترانسفورماتورهای شبکه سراسری تزریق می‌کنند. در رابطه با ایمنی، دانسیته انرژی در مرکز این پرتو بسیار پایین‌تر از حد خطرناک برای بدن انسان و پرندگان تنظیم شده است (کمتر از چگالی تابش یک فر مایکروویو خانگی در فاصله نیم‌متری)؛ بنابراین پرندگانی که از میان پرتو عبور می‌کنند تنها گرمای ملایمی مشابه آفتاب بعدازظهر را احساس خواهند کرد.

کاهش هزینه‌های پرتاب فضایی با راکت‌های فوق‌سنگین باقابلیت بازیابی مجدد

تحقق صنعتی SBSP امروزه مستقیماً مدیون پیروزی بزرگ مهندسی هوافضا در پروازهای تجاری ناوگان‌های فضایی چندبارمصرف است. تا پیش از این، هزینه ارسال یک گیگاوات پنل خورشیدی فضایی به فضا به صدها میلیارد دلار بالغ می‌شد، اما امروز ساختارهای ماژولار تاشونده با جرم فوق‌العاده سبک با یک‌دهم هزینه‌های گذشته به مدار تزریق می‌شوند.

ربات‌های خودمختار فضایی که بر پایه الگوریتم‌های هوش مصنوعی هدایت می‌شوند، این ماژول‌های پازلی را در فضا به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک سطح جمع‌آوری‌کننده به وسعت چندین کیلومترمربع پدید آید. این پیشرفت شگرف در علم فیزیک، هم‌راستا با دستاوردهای موازی در جهش رایانش کوانتومی با کیوبیت‌های خنثی اتمی و جهش تاریخی رآکتورهای همجوشی هسته‌ای جمع‌وجور با مگنت‌های HTS، پایه‌های سبد انرژی کربن‌صفر تمدن بشری را بنیان نهاده است.

همگرایی جهانی و افق استقرار نخستین گیگاوات برق فضایی تا سال ۲۰۳۰

آژانس فضایی اروپا (پروژه Solaris)، ناسا، ژاپن و چین اکنون نخستین کنسرسیوم‌های تجاری انرژی مداری را پایه‌گذاری کرده‌اند. نخستین نمونه‌های پروتوتایپ مقیاس مگاواتی که در ماه‌های اخیر دوران معاصر در مدار فعال شدند، با موفقیت توانستند انرژی الکتریکی مورد نیاز مراکز داده دورافتاده و پایگاه‌های تحقیقاتی قطبی را به صورت ۲۴ ساعته و بدون نیاز به سوخت دیزل تامین نمایند.

دوران کنونی سرآغاز عصری است که در آن فضا دیگر تنها عرصه‌ای برای کاوش‌های دوردست و عکس‌برداری علمی نیست؛ بلکه به بزرگ‌ترین منبع انرژی پایدار سیاره زمین بدل شده است. تابش خورشیدی فضاپایه نویدبخش جهانی است که در آن هیچ کشوری به دلیل نبود باد یا روزهای ابری دچار خاموشی نخواهد شد و انرژی پاک خورشیدی، همچون باران مهر الهی، شبانه‌روز و در هر نقطه‌ای از کره زمین در دسترس همگان قرار خواهد گرفت.