نیروگاه‌های خورشیدی فضایی و انتقال بی‌سیم انرژی

خورشیدی که هرگز غروب نمی‌کند؛ معضل نیروگاه‌های زمینی و راهکار مداری

گذار جهانی به سمت انرژی‌های تجدیدپذیر با چالش ذاتی ناپایداری منابع روبروست: پنل‌های خورشیدی روی زمین شب‌ها خاموش هستند، در روزهای ابری و بارانی راندمان آنها تا ۸۰ درصد سقوط می‌کند و ضخامت اتمسفر زمین بخش اعظمی از طیف پرانرژی فرابنفش و مادون قرمز را فیلتر می‌نماید. ذخیره‌سازی این انرژی در باتری‌های مقیاس شبکه نیز هزینه‌های سرسام‌آوری را به دنبال دارد.

راهکار نهایی که نخستین بار در داستان‌های علمی-تخیلی آیزاک آسیموف مطرح شد، امروزه با اجرای مأموریت‌های مداری آژانس فضایی اروپا، چین و کلتک آمریکا وارد فاز آزمایشگاهی در مقیاس مگاواتی شده است: نیروگاه‌های خورشیدی فضاپایه یا Space-Based Solar Power (SBSP). در ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری در مدار زمین‌ایستور (Geostationary Orbit)، نور خورشید با چگالی ثابت ۱۳۶۱ وات بر مترمربع در ۳۶۵ روز سال و ۲۴ ساعت شبانه‌روز بدون وقفه می‌تابد که این به معنای بازدهی تا هشت برابری نسبت به بهترین نقاط کویری روی زمین است.

همان‌گونه که در تحولات پیشین کیهان‌شناسی و ارتباطات لیزری اعماق فضا (DSOC) و اینترنت میان‌سیاره‌ای مشاهده شد که فضا دیگر مانعی برای انتقال داده نیست، اکنون فضا به بستر انتقال بی‌سیم انرژی پاک برای حل بحران‌های زمین تبدیل شده است.

مهندسی تبدیل انرژی؛ از فوتون‌های کیهانی تا امواج مایکروویو ۵.۸ گیگاهرتز

قلب تپنده یک ایستگاه SBSP، آرایه‌های فتوولتائیک عظیم متشکل از سلول‌های خورشیدی پروسکایت-سیلیکون تاندم با بازدهی بالای ۳۴ درصد است که نور را به برق مستقیم (DC) تبدیل می‌کنند. سپس، ژنراتورهای فرکانس رادیویی حالت جامد این توان الکتریکی را به یک پرتو موج مایکروویو متمرکز با فرکانس مشخص (معمولاً ۵.۸ یا ۲.۴۵ گیگاهرتز) تبدیل می‌نمایند.

برای هدایت این پرتو با دقتی در حد چند میلی‌رادیان از فاصله ۳۶ هزار کیلومتری به سمت ایستگاه زمینی، از آنتن‌های غول‌پیکر آرایه فازی (Phased Array Antennas) با قطر چند صد متر استفاده می‌شود. این آنتن‌ها بدون کوچک‌ترین حرکت مکانیکی، پرتو انرژی را با تنظیم فاز سیگنال‌ها کنترل می‌کنند. برای تضمین پایداری ابرسازه‌ها در شرایط نوسانات شدید حرارتی فضا، محققان از ساختارهای محاسباتی مبتنی بر کشف ابررساناها و مواد کوانتومی با هوش مصنوعی مولد بهره گرفته‌اند تا کمترین مقاومت اهمی و اتلاف حرارتی در ژنراتورهای مداری رخ دهد.

اگر ارتباط سیگنال راهنما (Pilot Signal) میان زمین و ماهواره برای حتی یک میلی‌ثانیه قطع شود، پرتو فرستنده به سرعت پراکنده و خاموش می‌شود تا از بروز هرگونه انحراف اشتباه پرتو ممانعت به عمل آید.

ایستگاه‌های رکتنای زمینی و شفافیت زیست‌محیطی؛ برق بدون تابش مضر

برخلاف تصورات هالیوودی از پرتوهای مرگبار فضایی، چگالی انرژی پرتو مایکروویو SBSP در سطح زمین کمتر از یک‌چهارم شدت نور مستقیم خورشید در ظهر تابستان است (حدود ۲۰۰ وات بر مترمربع). این امواج توسط یک شبکه توری باز به نام رکتنا (Rectifying Antenna یا Rectenna) دریافت می‌شوند.

رکتناها از دیودهای شاتکی پیشرفته تشکیل شده‌اند که امواج مایکروویو دریافتی را با بازدهی خیره‌کننده بیش از ۸۵ درصد مجدداً به برق مستقیم تبدیل کرده و به شبکه سراسری تزریق می‌نمایند. از آنجا که این سازه‌ها توری‌شکل و متخلخل هستند، نور خورشید و باران از میان آنها عبور کرده و می‌توان زمین‌های زیر رکتناها را همزمان برای کشاورزی، چرای دام یا مزارع خورشیدی سنتی استفاده کرد.

پرندگان و هواپیماهایی که از درون این پرتو عبور می‌کنند کمترین آسیبی نمی‌بینند؛ زیرا فرکانس ۵.۸ گیگاهرتز تابش یونیزان نبوده و به دلیل سازگاری کامل با پنجره رادیویی اتمسفر، بدون کوچک‌ترین جذب در ابرها، طوفان‌ها یا غبار به سطح زمین می‌رسد.

کاهش ۹۵ درصدی هزینه پرتاب با راکت‌های تمام‌بازیافتی و افق اقتصادی ۲۰۳۰

آنچه پروژه SBSP را امروزه از یک تئوری دست‌نیافتنی به صنعتی در حال تولد مبدل ساخته، انقلاب استارشیپ و راکت‌های سنگین تمام‌بازیافتی است. هزینه حمل محموله به مدار از ده هزار دلار در دهه گذشته، اکنون به زیر ۲۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم سقوط کرده است.

دوران کنونی نمایانگر آغاز عصری است که در آن بشریت نخستین گام‌های عملی را برای تبدیل شدن به یک تمدن نوع اول کارداشف (Type I Civilization) برداشته است؛ تمدنی که انرژی مورد نیاز خود را مستقیماً از ستاره منظومه خویش برداشت می‌کند و وابستگی به سوخت‌های فسیلی مدفون در زیر خاک را برای همیشه به خاطرات تاریخ واگذار می‌نماید.