بررسی امکان ساخت نیروگاه‌های در حال چرخش در فضا

به گزارش خبرگزاری صداو سیما، تابش انرژی خورشیدی از فضا پیشتر یک پدیده علمی-تخیلی به شمار می‌رفت، اما آژانس‌های فضایی سرتاسر جهان در سال‌های اخیر، مطالعاتی را در مورد بررسی امکان ساخت نیروگاه‌های در حال چرخش در فضا آغاز کرده‌اند.

 به عقیده این پژوهشگران، اجرای طرح هایی مانند احداث یک نیروگاه خورشیدی در فضا چالش‌ برانگیز خواهد بود، اما از آنجا که تلاش‌های صورت‌گرفته در سراسر جهان برای مهار تغییرات آب و هوایی همچنان با شکست روبه‌رو می‌شوند، این طرح ها ضروری خواهند بود.

پنل تغییرات آب و هوایی سازمان ملل متحد نشان می‌دهد که جهان در حال حاضر در مسیر گرم شدن تا ۲.۵ درجه سلسیوس تا پایان قرن قرار دارد. این افزایش دما، یک درجه سلسیوس بالاتر از آستانه ایمنی است که جامعه بین‌المللی علوم آب و هوایی برای جلوگیری از پیامد‌های فاجعه‌بار تغییرات آب و هوایی در نظر گرفته است.

در واقع برای محدود کردن گرمایش در رسیدن به هر نقطه‌ای نزدیک به این آستانه، اقتصاد‌های جهان باید انتشار گاز‌های گلخانه‌ای خود را تا سال ۲۰۳۰، تا ۴۵ درصد کاهش دهند. این به معنای کنار گذاشتن تدریجی بسیاری از فناوری‌های سوخت فسیلی در مدت زمان بسیار کوتاه است.

به عنوان مثال، بریتانیا به حداقل ۳۰ تا ۴۰ گیگاوات تولید برق جدید و پایدار نیاز دارد تا به طور کامل از مشکل تولید برق با سوخت فسیلی خلاص شود. این معادل ساخت بیش از ۳۰ بلوک جدید نیروگاه هسته‌ای است.

نیروگاه‌های خورشیدی احداث‌شده در فضا که در معرض تابش دائمی خورشید هستند و با ابر یا مشکلات هوایی که کارآیی آرایه‌های فتوولتائیک آن‌ها را محدود می‌کند روبه‌رو نیستند، می‌توانند در آینده در این زیرساخت بدون انتشار جایگاهی داشته باشند، اما ساخت و نگهداری این ساختار‌ها که انرژی را به شکل امواج مایکروویو به زمین می‌تابانند، بسیار دشوار خواهد بود.
بر اساس این گزارش، مزایا و معایب اصلی این فناوری ارائه شده‌اند.
۱. این فناوری کمتر از آن چیزی که تصور می‌شود، علمی-تخیلی است
«ایان کش» (Ian Cash)، مهندس بریتانیایی گفت که مفهوم ماهواره انرژی خورشیدی «CASSIOPeiA» او توسط یک سازمان انرژی فضایی تحت حمایت دولت بریتانیا، به عنوان نقطه آغازی برای نمایش نیروگاه خورشیدی فضایی پذیرفته شده است. کش که مدافع سرسخت این فناوری است، باور دارد که توسعه و ساخت یک نیروگاه خورشیدی در فضا، چالش‌های کمتری نسبت به هم‌جوشی هسته‌ای دارد.
کش در مصاحبه با اسپیس گفت: ما از دهه ۱۹۷۰، زمانی که ناسا با وزارت انرژی آمریکا یک مطالعه بسیار بزرگ را انجام داد، این موضوع را در نظر داشته‌ایم. ما از زمانی که برای نخستین بار یک ماهواره ارتباطی را به مدار زمین ثابت پرتاب کردیم، فیزیک ورای این موضوع را ثابت کرده‌ایم. ما بال‌های خورشیدی داریم که رو به خورشید هستند و بدنه ماهواره را داریم که رو به زمین است. همه اصول یکسان هستند و ما در حال تبدیل کردن انرژی خورشیدی به الکتریسیته، تبدیل آن به امواج مایکروویو و ارسال آن به زمین هستیم.
۲. این فناوری ۱۳ برابر بیشتر از یک نیروگاه زمینی انرژی تولید می‌کند
ساخت نیروگاه‌های خورشیدی در فضا مطمئنا کار آسانی نیست، اما به نظر می‌رسد که حداقل برای برخی کشور‌ها مزایایی دارد. طرفداران این فناوری ادعا می‌کنند که یک نیروگاه خورشیدی در مدار زمین، ۱۳ برابر بیشتر از یک نیروگاه مشابه خود در بریتانیا انرژی تولید می‌کند.
نیروگاه‌های خورشیدی مبتنی بر فضا به راحتی میزانی از نیرو را تولید می‌کنند که با برق خروجی نیروگاه‌های هسته‌ای مطابقت دارد.
ساخت یک نیروگاه خورشیدی در فضا، هزینه هنگفتی خواهد داشت. با وجود این، به گفته «اندرو ویلسون» (Andrew Wilson)، پژوهشگر آزمایشگاه مفاهیم فضایی پیشرفته در «دانشگاه استرثکلاید» (University of Strathclyde)، این نیروگاه پس از ساخت می‌تواند بسیار سریع‌تر از هر فناوری تولید انرژی تجدیدپذیر زمینی، هزینه خود را پرداخت کند.
۳. این فناوری، برق کاملا تمیز را فراهم می‌کند
انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، مشکلات اصلی بیشتر فناوری‌های تولید انرژی تجدیدپذیر را ندارد. در فضا خورشید همیشه می‌درخشد. هیچ ابری هرگز مانع رسیدن پرتو‌های خورشید به آرایه‌های فتوولتائیک نمی‌شود و اگر مدار عاقلانه انتخاب شود، حتی می‌توان از مشکلات مربوط به شب نیز اجتناب کرد. یک نیروگاه خورشیدی در فضا بر خلاف همتای خود در زمین یا یک نیروگاه بادی دور از ساحل، سالانه مقدار ثابتی از انرژی را فراهم می‌کند. این نیرو، شبکه‌های برق زمینی را با سرعت ثابت تغذیه می‌کند؛ بدون این که اپراتور‌ها نگران خاموشی‌های مزاحم باشند.
با وجود این، طرفداران انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا انتظار ندارند که الکتریسیته حاصل از آن، انرژی‌های تجدیدپذیر زمینی را بیرون ببرد. آن‌ها فکر می‌کنند که انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا باید جایگزین نیروگاه‌هایی شود که در حال حاضر برای تامین نیاز‌های انرژی در زمانی که خورشید نمی‌تابد و باد نمی‌وزد، به کار می‌روند.
ویلسون گفت: نکته‌ای که در مورد انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا اهمیت دارد، این است که می‌توان سطوح بسیار بالایی از انرژی را مانند نیروگاه‌های هسته‌ای تحویل داد. بدون انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، ما احتمالا به دنبال ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای بیشتری خواهیم بود.
۴. این فناوری از درگیری‌های زمینی در امان است
آسیب‌رسانی عمدی و آشکار به خطوط لوله گاز «نورد استریم» در دریای بالتیک که جهان را در سپتامبر ۲۰۲۲ شوکه کرد، نشان داد که در دنیای بی‌ثبات سیاسی محل سکونت ما، اتکا به انرژی بیرونی نسبتا ناامن است.
طرفداران این ایده می‌گویند که انرژی خورشیدی فضایی از درگیری‌های بین‌المللی ایمن است و همچنین، بیشتر از نیروگاه‌های خورشیدی سنتی روی زمین در امان می‌ماند.
ویلسون گفت: اگر پنل‌های خورشیدی را به صورت راهبردی در مناطق خالی از جمعیت مانند صحرای بزرگ آفریقا قرار دهید، می‌توانید تمام نیاز‌های انرژی بشریت را تامین کنید، اما همان چیزی که در مورد روسیه رخ داد، در صورت وقوع جنگ در صحرای بزرگ آفریقا نیز ممکن است برای امنیت انرژی ما اتفاق بیفتد.
برخی از مخالفان استدلال می‌کنند که یک نیروگاه خورشیدی فضایی را می‌توان به راحتی با موشک‌های ضد ماهواره مورد حمله قرار داد، اما کش با این نظر مخالف است. کش گفت که ساقط کردن یک سکو در مدار زمین‌ایستا، خارج از توانایی‌های کنونی بیشتر ایالت‌ها است.
وی افزود: مطمئنا خطر‌هایی وجود دارند، اما این خطر‌ها بیشتر از افرادی نیستند که می‌خواهند به نیروگاه‌های هسته‌ای، خطوط لوله گاز یا کابل‌های فشار قوی بین قاره‌ها حمله کنند. بسیاری از آن‌ها را می‌توان به صورت پنهانی مورد حمله قرار داد و مهاجمان به راحتی می‌توانند مسئولیت پذیرش آن را انکار کنند، اما در فضا، هر حمله‌ای مستلزم پرتابی است که مطمئنا شناسایی خواهد شد.
ویلسون گفت: از آنجا که هر پروژه نیروگاه خورشیدی فضایی به احتمال زیاد یک تلاش بین‌المللی خواهد بود، طبیعت بین‌المللی می‌تواند یک لایه حفاظتی اضافی را در برابر تحولات سیاسی ایجاد کند.
۵. زیرساخت‌های زمینی مزاحمت کمتری نسبت به سایر انرژی‌های تجدیدپذیر خواهند داشت
نیروگاه‌های فتوولتائیک روی زمین، مناطق وسیعی از زمین را می‌بلعند تا یک مقدار منطقی از نیرو را برداشت کنند. مزارع بادی احداث‌شده در چشم‌انداز نیز غیر قابل چشم‌پوشی هستند. آنتن‌های اصلاح‌کننده مورد نیاز برای دریافت پرتو‌های مایکروویو که حامل انرژی خورشیدی تولیدشده در فضا هستند نیز ردپای قابل توجهی دارند. در هر حال، کش باور دارد که مزاحمت آنتن‌های اصلاح‌کننده بسیار کمتر است و می‌توان از آن‌ها برای کاربرد‌های دیگر در زمین یا دریا نیز استفاده کرد.
۶. این فناوری می‌تواند انرژی هواپیما‌های در حال پرواز را تامین کند
ایده شرکت «ایرباس» (Airbus) در مورد آینده حاکی از این است که انرژی خورشیدی تولیدشده در فضا می‌تواند ردپای کربن حاصل از هوانوردی را پاکسازی کند. این گونه نیست که هواپیما‌ها به طور کامل از سوخت‌های فسیلی حذف شوند، اما این فناوری می‌تواند مقداری از گاز‌های گلخانه‌ای را که هواپیما‌های جهان در جو زمین تخلیه می‌کنند، کاهش دهد.
«ژان دومینیک کاست» (Jean-Dominique Coste)، مدیر ارشد ایرباس گفت: در آینده همان طور که به سمت هواپیما‌های مبتنی بر هیدروژن و باتری حرکت می‌کنیم، می‌توانیم انرژی خورشیدی فضا را برای افزایش برد هواپیما‌ها به کار ببریم. ما می‌توانیم از این انرژی برای کمک به برخاستن هواپیما استفاده کنیم، زیرا برخاستن، لحظه‌ای است که بیشتر سوخت مصرف می‌شود.
۱. یک نیروگاه خورشیدی فضایی باید بسیار بزرگتر از هر ساختاری باشد که قبلا در فضا پرواز کرده است
نیروگاه خورشیدی در حال چرخش باید بزرگ باشد، نه این که فقط نور خورشید کافی را جمع‌آوری کند تا ارزشمند شود. محرک اصلی برای اندازه بزرگ، مقدار نیرو نیست، بلکه نیاز به متمرکز کردن امواج مایکروویو است که انرژی را از طریق جو زمین به یک پرتو با اندازه معقول منتقل می‌کند تا توسط یک آنتن اصلاح‌کننده زمینی دریافت شود. کش گفت: این آنتن‌های متمرکز صرفا به دلیل فیزیکی که با آن سروکار داریم، باید ۱.۶ کیلومتر یا بیشتر عرض داشته باشند.
این اندازه را با اندازه «ایستگاه فضایی بین‌المللی» (ISS) مقایسه کنید که با ۱۰۸ متر طول، بزرگترین سازه فضایی به شمار می‌رود که تا به امروز در مدار ساخته شده است. طرفداران انرژی خورشیدی فضایی همگی موافق هستند که نحوه قرار گرفتن چنین نیروگاه‌هایی در کنار هم، هنوز یک پرسش است.
کش خاطرنشان کرد که مفهوم CASSIOPeiA او، با چندین نیروگاه کوچک‌تر در برخی از انواع مدار‌های پایین زمین کار می‌کند. وجود یک نیروگاه نزدیک‌تر به زمین، به آنتن امکان می‌دهد تا اندازه کوچکتری داشته باشد و احتمالا مقیاس را تا یک دهم آنچه در مدار زمین‌ایستا مورد نیاز است، کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، یک نیروگاه نزدیک به زمین، هدف آسان‌تری برای موشک‌های ضد ماهواره خواهد بود و همچنین، شاید اخترشناسان را آزار دهد، زیرا از روی زمین بسیار قابل مشاهده است.
ساخت یک نیروگاه خورشیدی مبتنی بر فضا مستلزم پرتاب صد‌ها موشک است که بسته به نوع موشک مورد استفاده، جو را آلوده می‌کند و همچنین، به سیستم‌های رباتیک پیشرفته نیاز دارد که می‌توانند همه ماژول‌های سازنده در فضا را کنار هم قرار دهند. کش گفت که این ساختار رباتیک احتمالا بزرگترین مانع برای تحقق این دیدگاه علمی تخیلی است.
۲. تبدیل برق به مایکروویو و برگشت آن در حال حاضر بسیار ناکارآمد است
شرکت ایرباس که اخیرا نمایش کوچکی را برای تبدیل کردن الکتریسیته حاصل از پنل‌های فتوولتائیک به امواج مایکروویو و ارسال بی‌سیم آن به ایستگاه گیرنده در فاصله ۳۶ متری انجام داده است، می‌گوید که یکی از بزرگترین موانع برای انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، کارآیی فرآیند تبدیل است.
براساس محاسبات ایرباس، امواج مایکروویو تقریبا بدون مزاحمت در جو زمین می‌لغزند و به سختی پنج درصد از انرژی خود را در طول سفر خود از مدار زمین‌ایستا از دست می‌دهند. با تبدیل برق تولیدشده توسط پنل‌های فتوولتائیک به امواج مایکروویو و سپس تبدیل دوباره به برق، مقادیر زیادی از انرژی در نیروگاه و آنتن اصلاح‌کننده از دست می‌رود.
کاست گفت: سیستمی که در نمایش ایرباس استفاده شد، کارآیی سرتاسری حدود پنج درصد داشت. این چیزی نیست که از نظر عملیاتی قابل دوام باشد؛ حتی اگر به کار بردن نور خورشید رایگان صورت بگیرد. برای اینکه یک نیروگاه خورشیدی مبتنی بر فضا منطقی محسوب شود، بازدهی آن باید حداقل ۲۰ درصد باشد.
۳. این فناوری ممکن است به یک سلاح کشتار جمعی تبدیل شود
برخی نگران هستند که پرتو‌های مایکروویو در فضا به سلاح‌های کشتار جمعی تبدیل شوند و افرادی با اهداف شیطانی از آن‌ها برای سوزاندن انسان‌های روی زمین با تشعشعات نامرئی استفاده کنند.
کاست اعتراف کرد که اگر کسی بخواهد چنین سلاحی بسازد، احتمالا می‌تواند. با وجود این، پرتو‌های مایکروویو حامل انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا، از همان ابتدا برای ایمن بودن مهندسی شده بودند. این پرتو برای سلامتی انسان بسیار خطرناک است و میزان خطر آن به چگالی نیرویی که حمل می‌کند، بستگی دارد. میزان خطر را می‌توان با طراحی درست محدود کرد.
کاست ادامه داد: ما می‌توانیم سیستمی را مهندسی کنیم که فقط به سمت گیرنده نشانه‌گیری شود و اگر به جای دیگری نشانه برود، هرگز کار نکند. ما با برخی از شرکت‌های بزرگ انرژی در اروپا روی این مفهوم کار می‌کنیم و آن‌ها این کار را زیاد مشکل نمی‌دانند، زیرا به مقابله با مشکلات ایمنی در اطراف خطوط برق فشار قوی یا خطوط لوله گاز عادت کرده‌اند.
۴. این فناوری ممکن است توسط ریزشهاب‌سنگ‌ها آسیب ببیند
ساختار وسیع مداری پنل‌های فتوولتائیک در هم تنیده دائما مورد برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها قرار می‌گیرد و نه تنها آسیب‌های قابل توجهی را در حین عملیات متحمل می‌شود، بلکه ایجاد مقادیر زیادی از زباله‌های فضایی را در این فرآیند به همراه دارد.
«تلسکوپ فضایی جیمز وب» (JWST) که آینه‌ای به عرض ۶.۵ متر دارد، ضربه‌های قابل توجهی را در اوایل عملیات خود دریافت کرد و گروه کنترل زمینی خود را بر آن داشت تا برنامه‌های رصدی را برای جلوگیری از برخورد تنظیم کنند.
مهندسانی که یک نیروگاه خورشیدی فضایی را برای آینده طراحی می‌کنند، قطعا باید ساختاری را با در نظر گرفتن هجوم ثابت ریزشهاب‌سنگ‌ها بسازند.
کاست گفت: برای چرخه حیات ایستگاه، باید آن را به گونه‌ای طراحی کرد که امکان نگهداری و تعمیر مداوم را داشته باشد. از آنجا که این ساختار بسیار بزرگ است، در برخی از پنل‌ها نقص‌هایی وجود خواهد داشت. طراحی ایده‌آل آنتن، مدولار خواهد بود تا بتوان پنل‌ها را جایگزین کرد.
کش گفت که مهندسان می‌توانند با ساخت پنل‌ها از نازکترین مواد ممکن، تولید زباله از پنل‌های آسیب‌دیده را تقریبا حذف کنند. وی افزود: اگر ما پنل‌ها را از نوعی مواد پلیمری بسازیم، چیز‌هایی مانند ریزشهاب‌سنگ‌ها سوراخ می‌شوند. ما امیدواریم که بتوانیم خطر تولید زباله و همچنین اثرات آن بر نیروگاه را کاهش دهیم. اگر هر یک از ماژول‌ها را مستقل از ماژول‌های دیگر بسازیم، تنها چیزی که اتفاق می‌افتد این است که یک ضربه، چند عنصر را از بین می‌برد.
۵. در پایان عمر این فناوری، مقدار زیادی زباله ایجاد می‌شود
در مورد پایان عمر نیروگاه خورشیدی فضایی، پرسش‌های بسیاری وجود دارد. آخر عمر این فناوری چطور سپری می‌شود؟ برای ماژول‌های معیوب که باید تعویض شوند، چه اتفاقی می‌افتد؟ پس از پایان عمر این فناوری که شاید پس از چند دهه تولید برق باشد، چه اتفاقی برای کل آن رخ می‌دهد؟ آیا ساختاری با عرض ۱.۶ کیلومتر در مدار زمین‌ایستا رها می‌شود تا به آرامی با فروپاشی روبه‌رو شود؟
ویلسون، روش دفع پیچیده‌تری را پیش‌بینی می‌کند که نشان می‌دهد تا زمانی که نیروگاه‌های خورشیدی مبتنی بر فضا داشته باشیم، به احتمال زیاد زیرساخت‌های دائمی زیادی را روی ماه خواهیم دید.
ویلسون گفت: یکی از ایده‌ها برای استفاده از ماه در آینده، به کار بردن آن برای پرتاب‌های فضایی عمیق‌تر است. همچنین، ما می‌توانیم نوعی مرکز بازیافت برای پردازش برخی از مواد در آنجا داشته باشیم.
۶. این فناوری ممکن است به افزایش آلودگی نوری منجر شود
برخی از اخترشناسان نگران تأثیر چنین ساختار‌های غول‌پیکری هستند که در آسمان شب می‌چرخند. از زمانی که نخستین گروه از مجموعه ماهواره‌های اینترنتی «استارلینک» (Starlink) شرکت «اسپیس ایکس» (SpaceX) به شکل قطار‌های درخشان در آسمان پخش شدند، واکنش‌های شدید جامعه نجوم را برانگیختند.
«اتحادیه بین‌المللی اخترشناسی» (IAU)، استارلینک و تلسکوپ‌های بزرگی را که بخش‌های وسیعی از آسمان را بررسی می‌کنند، به عنوان تهدیدی بدتر از آلودگی نوری شهری برای نجوم محکوم کرد.
بنا بر اعلام وبگاه اسپیس، با وجود این، کاست باور دارد که یک نیروگاه در مدار زمین‌ایستا، به سختی از زمین قابل مشاهده است. کاست گفت: اگر از زمین به نیروگاه نگاه کنید، آن را مانند یک ستاره خواهید دید. تنها بخشی از نیروگاه که رو به زمین خواهد بود، آنتن است و نیازی به بازتاب نور ندارد. احتمالا می‌توانیم کاری برای این سیستم انجام دهیم تا میزان نوری را که به زمین می‌آید، کاهش دهیم.
کش گفت: کل مفهوم نیروگاه خورشیدی فضایی، جمع‌آوری و جذب حداکثری نور خورشید است. ما نگرش ثابت خود را مبنی بر همیشه رو به خورشید بودن حفظ می‌کنیم.