آیا انرژی خورشیدی فضایی آماده بهره‌برداری است؟

هنگامی که چارلز فریتز اولین سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی خام را در دهه‌ی ۱۸۸۰ ابداع کرد، شاید برخی تصور می‌کردند که این دستاورد به‌سرعت قرار است تولید برق جهانی را متحول کند. به هر حال صاحب‌نظران آن روزگار نیز می‌دانستند که هیچ منبع انرژی ارزان‌تر، تمیزتر و فراگیرتری از نور خورشید وجود ندارد. ولی با وجود پیشرفت‌های فنی عظیم (و مداوم) که انرژی خورشیدی را بیش از پیش توانمندتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند، با گذشت حدود ۱۴۰ سال از اختراع نخستین سلول فتوولتائیک خورشیدی، این سلول‌ها تنها کمتر از ۵ درصد برق جهان را تأمین می‌کنند. انرژی خورشیدی با وجود تمام مزایای خود، معایبی نیز دارد که می‌تواند استفاده از آن را محدود کند. از جمله مهم‌ترین معایب پیرامون سلول‌های خورشیدی به یک امر اجتناب‌ناپذیر مربوط می‌شود: نیمی از سطح سیاره‌ی ما در هر لحظه‌ای تاریک است.

پیتر گلیزر، مهندس هوافضای ایالات متحده در سال ۱۹۶۸، راه حلی بالقوه برای این مشکلات تشریح کرد؛ راه حلی که نه‌تنها در نوع خود خارج از عرف و چارچوب فکری متداول در محافل علمی آن زمان، بلکه به معنی واقی کلمه کاملاً خارج از جو زمین نیز بود. گلیزر پیشنهاد کرد تا به جای ساخت مزارع خورشیدی عظیم در زمین‌های وسیع و آسیب‌پذیر از نظر اکولوژیکی، فتوولتائیک‌ها را در ناوگان ماهواره‌های انرژی خورشیدی در مدار زمین قرار دهند. استدلال کلیدی این است که کیفیت تابش خورشید در مدار زمین توسط ابرها تضعیف نمی‌شود و از چرخه‌های سیاره‌ای روز و شب هم خبری نیست و با وجود چنین شرایطی می‌توانیم نور خورشید را با کارایی مناسبی «برداشت» کرده و در ادامه آن را در قالب امواج مایکروویو به «آنتن‌های تصحیح‌کننده» مستقر در زمین ارسال کنیم. امواج مایکروویو نیز روی زمین و ازطریق روش‌های موجود به برق تبدیل شده و درنهایت به شبکه‌های برق در سراسر جهان هدایت می‌شوند.

بااین‌حال، در آن زمان و دهه‌های پس از آن، هزینه‌ی پرتاب‌های فضایی بسیار بالا بود و عملکرد فتوولتائیک‌ها برای تحقق ایده‌ی درخشان گلیزر بسیار پایین به‌نظر می‌رسید. اما اکنون اوضاع فرق کرده و ما در جهان متفاوتی به سر می‌بریم. پیشرفت‌های حاصل‌شده در دنیای فناوری همراه با نیاز روزافزون به انرژی پاک، مفهومی به اسم انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا (SBSP) را در پروژه‌های آزمایشی گوناگونی در ایالات متحده، چین، اروپا و ژاپن تقویت کرده است. با شروع موج جدیدی از تحقیقات مختلف توسط تیم‌های مختلف، یک پرسش مهم مطرح می‌شود: آیا طرح‌های SBSP به نقطه‌ی عطف تاریخی خودشان خواهند رسید؟

پیش به سوی آینده

ناسا در ایالات متحده، به‌دلیل رشد سریع در صنعت فضایی و تهدیدات قابل توجه پیرامون تغییرات آب‌و‌هوایی، نگاهی دقیق به چشم‌انداز فعلی و آینده‌ی نزدیک SBSP دارد. نیکولای جوزف، تحلیلگر سیاسی در دفتر فناوری، سیاست و استراتژی ناسا (OTPS)، نویسنده‌ی اصلی مطالعه‌ی آتی OTPS است و به‌طور خاص به این رویکرد می‌پردازد. او می‌گوید با توجه به افزایش علاقه‌ی جهانی به امکان‌های متحول‌کننده SBSP، کاملاً منطقی است که OTPS یک مطالعه‌ی مناسب در این حوزه انجام دهد. جوزف همچنین تشریح می‌کند:

انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا برای دهه‌ها جذاب بوده است؛ اما ساخت و پرتاب فضاپیماهایی با توانایی استفاده از آن بسیار گران‌قیمت به نظر می‌آمد. اکنون پیشرفت‌های فناوری و رشد صنعت فضایی در دهه‌ی گذشته ممکن است به این معنی باشد که اوضاع در حال تغییر است … مهم است که به‌طور مرتب ایده‌های خوب را مرور کنیم و گزینه‌ها را بررسی کنیم. ناسا باید بداند چه چیزی ممکن است، زیرا ظهور انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا با بسیاری از علایق دیگر ما تلاقی می‌کند. ناسا باید تمام جنبه‌های فناوری فضایی را دنبال کند. ما باید همیشه به آینده متمایل باشیم.

برای ناسا، این آینده می‌تواند مستلزم استفاده از SBSP در جایی فراتر از زمین باشد؛ جایی که بتواند برای مثال از برنامه‌ی رو به رشد آژانس فضایی آرتمیس برای انجام کاوش‌های سرنشین‌دار ماه حمایت می‌کند. می‌توان حدس زد که یکی از قابلیت SBSP در اطراف ماه می‌تواند به توانمندسازی پایگاه‌ها و سایر فعالیت‌های اکتشافی در سطح ماه کمک کند. حالت جاه‌طلبانه‌تر این است که قدرت پرتوهای خورشیدی می‌تواند روزی برای فرستادن فضاپیماهای بشر به مقاصد بین سیاره‌ای و حتی بین ستاره‌ای بدون دردسر پرهزینه‌ی حمل پیشران در عرشه مورد استفاده قرار گیرد.

آیا SBSP یک نوش داروی قدرتمند خواهد بود؟

ایده‌ی SBSP توسط برخی به‌عنوان یک راه ایده‌آل برای دستیابی به انتشار خالص صفر گازهای گلخانه‌ای در عین داشتن یک منبع تغذیه‌ی ثابت، پایدار و فراوان تلقی می‌شود. SBSP برخلاف برق حاصل از انرژی خورشیدی و بادی در زمین (که هر دوی آن‌ها دربرابر اختلالات ناشی از نوسان شرایط محیطی بسیار آسیب پذیرتر هستند) می‌تواند در تمام ساعات شبانه روز کار کند (به اصطلاح نیروی بار پایه را ارائه می‌دهد) و همچنین امکان توزیع سریع و مناسب برق را در سراسر شبکه‌های برق فراهم کند. مارتین سولتاو، تحلیلگر در شرکت مشاوره‌ی فریزر-نش می‌گوید:

انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا به‌طور منحصربه‌فردی می‌تواند هم نیروی بار پایه و هم نیروی قابل ارسال را در مقیاس شهری فراهم کند و از همین روی، یک فناوری جدید انرژی پاک بسیار ارزشمند محسوب می‌شود.

مزیت دیگر این است که انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا برای مهندسی مجدد نیازی به شبکه‌های برق ندارد. ما تصور می‌کنیم که آنتن‌های یکسوساز زمین در نزدیکی اتصالات شبکه‌ی موجود، به‌طور بالقوه در مجاورت مزارع بادی فراساحلی موجود واقع شود. SEI یک مشارکت میان دولت، صنعت و دانشگاه است. آن‌ها به‌دنبال ایجاد ناوگانی از SBSP برای اتصال به شبکه برق بریتانیا در دهه‌ی ۲۰۴۰ هستند. هر فضاپیما در ناوگان فرضی SEI تقریباً به اندازه یک نیروگاه با سوخت زغال سنگ یا هسته‌ای برق تولید می‌کند.

بااین‌حال، برای انجام هر یک از این موارد، دوره‌های گسترده و حساب‌شده‌ی آزمایش در فضا مورد نیاز است. به همین دلیل آن‌ها قصد دارند قبل از شروع یک ناوگان کار کامل SEI و تا سال ۲۰۳۰ یک نمایشگر مداری راه اندازی کنند. سولتائو (تحلیلگر) می‌گوید:

احتمالاً دو فناوری مهم برای آزمایش و نشان دادن عملکرد این سامانه در فضا شامل مونتاژ رباتیک مستقل این سازه‌های بزرگ و تابش نیرو از فضا به زمین در سطوح توان هدفدار است.

مسائل مهم دیگری مانند محیط نظارتی و تخصیص طیف، باید مورد توجه قرار گیرد.

آزمایش های‌تک

SEI در پیگیری تست‌های دنیای واقعی سخت‌افزارهای مرتبط با SBSP تنها نیست. پروژه‌های متعددی برای انجام این کار در سراسر جهان در حال انجام است.

آکادمی فناوری فضایی چین و دانشگاه ژیدیان سازه‌ای بزرگ به‌منظور نشان دادن فناوری‌های جدید برای متمرکز کردن نور خورشید و انتقال انرژی بی سیم ساخته‌اند. این پروژه با نام رمز ژوری یا «تعقیب خورشید» از یک برج فولادی به ارتفاع ۷۵ متر استفاده می‌کند و در محوطه‌ی جنوبی دانشگاه ژیدیان ساخته شده است. تأسیسات جدید به‌منظور تست و تأیید فناوری آرایه‌ی جمع‌آوری انرژی غشایی Orb-Shape (OMEGA) طراحی شده است. آرایه‌ی فوق یک سیستم متمرکزکننده برای برداشت نیروی خورشیدی در مدار زمین‌ایستا است.

از سویی نوآوری SOLARIS آژانس فضایی اروپا، یک برنامه‌ی کار سه‌ساله‌ی تحقیق و توسعه‌ی پیشنهادی برای بررسی مفهوم SBSP و فناوری‌های حیاتی را در دستور کار خود قرار داده است. SOLARIS برای تصویب در نشست شورای آژانس فضایی اروپایی در سطح وزیران در نوامبر امسال پیشنهاد شده است. آژانس فضایی اروپا در روز ۱۸ اکتبر مناسبتی تحت عنوان «روز صنعت SOLARIS» را برای تسریع پیشبرد وظایف تحقیق و توسعه SBSP برگزار کرد؛ طرحی که در صورت حمایت می‌تواند در بازه‌ی زمانی ۲۰۲۳ تا ۲۰۲۵ عملی شود.

پژوهشگران در ژاپن از دهه‌ی ۱۹۸۰ به‌طور جدی روی SBSP مطالعه داشته‌اند. محققان آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن (JAXA) طرحی را برای توسعه و آزمایش روش‌های جدید کنترل پرتوهای پرانژی و مونتاژ سازه‌های بزرگ در مدار توسعه داده‌اند. این کارها در حالت ایده‌آل می‌تواند در عرض یک یا دو دهه به سیستم‌های SBSP منجر شود. آن‌ها فراتر از ارزیابی‌های روی کاغذ، فناوری‌هایی را نیز برای افزایش دقت پرتوهای لیزر و امواج مایکروویو ساخته‌اند و تجهیزات مربوط به SBSP را روی راکت‌های زیرمداری برای جمع‌آوری داده‌های فنی به پرواز در می‌آورند.

در ایالات متحده، جدای از ناسا و منافع فضای غیرنظامی آن، وزارت دفاع این کشور نیز به‌شدت علاقه‌مند به استفاده از SBSP برای تقویت عملیات نظامی در سراسر جهان است. آخرین تلاش آن‌ها پروژه‌ای تحت اسم SSPIDR است که دربرگیرنده‌ی مشارکت‌های شرکت هوافضای Northrop Grumman و همچنین آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده (NRL) است. SPPIDR اخیراً اولین آزمایش زمینی تجهیزات را برای آزمایش پرواز در فضا به نام Arachne انجام داد. یکی از وظایف Arachne که انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۵ پرتاب شود، نشان دادن توانایی تشکیل و تمرکز یک پرتو فرکانس رادیویی در مدار پایین زمین است. بنابر اعلام نیروی هوایی ایالات متحده، هدف این کار «ارائه‌ی توان بدون وقفه، مطمئن و چابک از نظر لجستیکی برای نیروهای اعزامی» است.

در همین حال NRL ماژول‌های تخصصی طراحی‌شده برای افزایش کارایی تبدیل انرژی خورشیدی به امواج مایکروویو را به مراحل خوبی رسانده است. یکی از دستگاه‌های آزمایشی آن‌ها به‌نام ماژول آنتن فرکانس رادیویی فتوولتائیک، بیش از ۹۰۰ روز را روی هواپیمای فضایی رباتیک X-37B نیروی هوایی ایالات متحده در فضا گذراند.

افت و خیزهای متوالی

پل جافه، مهندس الکترونیک از NRL با سابقه‌ی طولانی در کارهای مرتبط با SBSP می‌گوید علاقه به این موضوع در طول سال‌ها کاهش یافته است؛ اما افزایش فعلی پروژه‌ها پس از سال‌ها بی‌رغبتی، به دلیل رخ دادن پیشرفت‌های واقعی و معنادار در زمینه‌ی فناوری‌های فعال‌کننده‌ی حیاتی است:

اعتراض تاریخی به SBSP جنبه‌ی اقتصادی داشت؛ عمدتاً مسئله‌ی هزینه راه‌اندازی. فکر می‌کنم هنوز حکمی درمورد اینکه آیا چنین کاری منطقی است یا نه، صادر نشده است. هنوز تعداد زیادی توسعه‌ی فناوری پیش رو در شبکه وجود دارد؛ توسعه‌هایی که باید اتفاق بیفتند تا درنهایت به سطح انعطاف‌پذیری و عرضه‌ای برسیم که می‌خواهیم از آن لذت ببریم.

به‌باور جافه، نمایش‌های سخت‌افزاری SBSP در فضا، پیش از هر گونه تعهدی برای توسعه‌ی سیستم‌های کامل، موجه و معقول هستند. او اشاره می‌کند که چنین آزمایشی احتمالاً صدها میلیون دلار هزینه در پی خواهد داشت و حتی با تأمین منابع مالی اولیه، SBSP همچنان به حمایت سیاسی پایدار نیاز دارد. این که آیا چنین طرحی درنهایت اصلاً راه‌اندازی شود یا نه، به همان اندازه که به‌ توسعه‌ی فناوری وابسته است، به عوامل اقتصادی و نظارتی هم بستگی خواهد داشت. جافه می‌گوید:

در نهایت، انجام این کار به شیوه‌ای که با هزینه‌های جایگزین رقابتی باشد، خلاصه خواهد شد.

جان منکینز، فن‌شناس سابق ناسا، رئیس مشترک کمیته‌ی دائمی انرژی خورشیدی فضایی آکادمی بین‌المللی فضانوردی و فعال قدیمی عرصه‌ی SBSP همچنان نسبت به چشم‌انداز این رویکرد خوش‌بین است. در گذشته، طرح‌های SBSP به‌طور کلی با سه مانع مالی مواجه می‌شدند:

• هزینه‌های بالای ساخت سخت‌افزار لازم
• اطمینان از مناسب بودن سخت‌افزار برای محیط فضا
• قرار دادن سازه‌ها در مدار

به‌اعتقاد منکینز اکنون «هر سه مورد از بین رفته‌اند» و به‌دلیل پیشرفت در رباتیک فضایی، توانایی تولید انبوه اجزای SBSP و قیمت پایین پرتاب سخت‌افزار به فضا، اوضاع فرق می‌کند. این روندهای مثبت روی هم رفته می‌تواند هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه را صدها میلیارد دلار کاهش دهد و SBSP را وارد دوره‌ی جدیدی از امکان‌سنجی اقتصادی کند. چنین انگیزه‌‌ای، برای ایجاد علاقه و مشارکت چند ملیتی امروزی پیرامون SBSP واقعاً کافی است.

پیش بینی های غم انگیز

البته‌ی همه‌ی صاحب‌نظران چنین دیدگاه‌های روشنی از چشم انداز SBSP ندارند. یکی از منتقدان برجسته‌ی این عرصه، آموری لوینز، کارشناس سیاست انرژی و یکی از بنیانگذاران و رئیس بازنشسته‌ی RMI (مؤسسه کوه راکی ​​سابق؛ یک مؤسسه غیرانتفاعی که به‌دنبال بهبود شیوه های انرژی در جهان) است. او استادیار مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه استنفورد و محقق در مؤسسه انرژی Precourt این دانشگاه نیز محسوب می‌شود.

لاوینز معتقد است که هزینه‌های پرتاب کماکان به‌عنوان «یک مانع بزرگ» در مسیر SBSP باقی خواهد ماند؛ حتی با وجود کاهش تقریباً ۲۰ برابری هزینه‌ی فرستادن هر کیلوگرم محموله‌ به مدار پایین زمین.

به‌گفته‌ی لوینز، نگرانی‌های امنیتی نیز در این میان وجود دارد و سوالاتی را پیش روی ما می‌گذارد که از اولین زمزمه‌های هیجان‌انگیز SBSP در اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی تا به امروز باقی مانده است. او می‌گوید:

در آن زمان برای برخی سؤال بود که آیا تسلیحات مبتنی بر شلیک پرتو مایکروویو از فضا نیز بخشی از دستور کار است یا خیر. شاید اکنون بیشتر نگران اضافه کردن یک منبع انرژی فوق متمرکز دیگر به یک شبکه‌ی انتقال بسیار آسیب‌پذیر و شکننده باشیم.

اگرچه SBSP از نظر مفهومی جذاب است، اما به‌باور لاوینز، سایر گرایش‌ها در انرژی‌های تجدیدپذیر چالش‌های بزرگی را برای تدوام آن ایجاد می‌کنند. انرژی‌های تجدیدپذیر زمینی به‌شدت ارزان‌تر شده‌اند و سیستم‌های بادی و خورشیدی نرخ‌های عمده‌ی سه سنت یا کمتر به ازای هر کیلووات ساعت برق را دارا هستند و ادغام این منابع «زمینی» با شبکه‌های توزیع موجود به روش‌هایی که از تحویل مطمین و استوار برق اطمینان حاصل کنیم، اندکی به هزینه‌ها اضافه خواهد کرد. وی از همین امر نتیجه می‌گیرد که مزیت بسیار تبلیغ‌شده‌ی SBSP پیرامون «دردسترس بودن به‌طور مؤثر و ثابت صرف نظر از اینکه روز باشد یا شب» سود کمی دارد.

در چنین شرایطی، رفتن به فضا برای ایجاد برتری اقتصادی بر هزینه‌ی مقرون‌به‌صرفه‌ی فعلی انرژی‌های تجدیدپذیر زمینی به ازای هر کیلووات ساعت، اگر نگوییم غیرممکن، بسیار سخت خواهد بود. لاوینز می‌گوید:

به‌طور خلاصه، من فکر می‌کنم یک سلول فتوولتائیک انرژی ارزان‌تری را از سقف شما -احتمالاً حتی در سیاتل- نسبت به فضا ارائه می‌کند. من متخصص فضایی نیستم؛ اما مطمین نیستم که این نقص اساسی SBSP تغییر کند. باد زمینی و سلول فتوولتائیک هر دو قرار است دو تا سه برابر دیگر هزینه داشته باشند و انرژی آن‌ها بسیار نزدیک به رایگان باشد.

لوینز می‌پرسد چرا برای جمع‌آوری نور خورشید فراتر از اتمسفر زمین باید این همه زحمت و هزینه متحمل شویم؟ «درحالی‌که این نور همین الان نیز به صورت رایگان توزیع شده است؛ مانند باران. آیا باران لزوما همه جای زمین به‌صورت عادلانه و برابر می‌بارد؟»

تلاش برای یافتن پاسخی قطعی برای آن پرسش فلسفی همچنان ادامه دارد.