تعد الطاقة الشمسية مصدرًا غنيًا للطاقة للسفن الفضائية التي تطفو في المنطقة الداخلية للنظام الشمسي. ولكن إلى أي مدى يمكن أن يعمل النشاط الكهروضوئي من الأرض؟
بقلم: جيل كنير والدكتور توني فيليبس، موقع FIRST SCIENCE
أعلاه: الشمس، كما تُرى من كوكب بلوتو البعيد، هي مجرد نجم آخر في سماء الليل، على الرغم من أنها ألمع النجوم جميعًا. أدناه: على اليمين: يُظهر المفهوم الذي قدمه الفنان محطة أرضية تشع الطاقة إلى مركبة فضائية بعيدة؛ اليسار: مفهوم الشراع الشمسي
ترجمة: إيلي بن دافيد، لموقع "حيدان".
جرب هذا: أغمض عينيك وحاول أن تتخيل محطة الفضاء الدولية (ISS)، مشرقة ومشرقة أثناء دورانها حول الأرض.
كيف كانت تبدو من المؤكد أن الصورة في ذهنك تهيمن عليها أجنحة جميلة وواسعة - المجموعة الشمسية الرائعة للمحطة الفضائية.
وليس من قبيل المصادفة أن الألواح الشمسية (مجمعات الطاقة الشمسية) تهيمن على صورة المحطة. في محطة الفضاء الدولية (وكذلك في محطة الفضاء الدولية)، تقود الطاقة الشمسية في نهاية المطاف كل ما يحدث. تشع شمسنا طاقة هائلة من الطاقة تقاس بـ 4×10 بقوة 23 كيلووات، أي 4 مع 23 صفرًا! من الخلايا الكهروضوئية، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء، والتي لا يلزم اعتراض سوى جزء صغير منها لتشغيل المحطة.
ولكن لا تحوم جميع المركبات الفضائية بالقرب من الأرض حيث يتوفر ضوء الشمس بكثرة. تسافر العديد من المركبات الفضائية البحثية التابعة لناسا إلى ما هو أبعد من مدار الأرض، وأثناء قيامها بذلك، يتضاءل حجم المسافة بينها وبين الشمس وضوءها. حيثما تكون هناك، تتوقف طاقة الشمس عن أن تكون مصدرًا فعالًا للطاقة للمركبة الفضائية - ولكن أين؟
هذا ما يريد مصممو المركبات الفضائية في ناسا معرفته: أين تكمن الحافة النهائية لفعالية الاعتماد على الطاقة من أشعة الشمس؟ ما هو نطاقهم النهائي؟
وتحول الخلايا الشمسية للمحطة الفضائية، والتي تم تطويرها منذ عقود، 14% من طاقة الشمس الواصلة إليها إلى كهرباء، وتصل الخلايا الكهروضوئية واسعة الطيف، التي تحول الضوء في أجزاء كثيرة من الطيف إلى كهرباء، إلى كفاءة تصل إلى 30 تقريبًا. %. تعمل الأجهزة من هذا النوع بشكل جيد في المحيط الداخلي للنظام الشمسي ذي الإضاءة الساطعة، ولكن بالنسبة للرحلات الطويلة وفي الأماكن التي تكون فيها الفوتونات الشمسية نادرة، ستكون هناك حاجة بالتأكيد إلى خلايا أكثر كفاءة ومجموعة شمسية أكبر بكثير. وبعيدًا عن متناول الشمس، على سبيل المثال، فإن القدرة على تحويل حتى فوتونات واحدة إلى كهرباء ستكون ذات أهمية كبيرة.
يوضح جيف لانديس، من مركز جلين للأبحاث التابع لوكالة ناسا: "تقل شدة ضوء الشمس نتيجة للمسافة، بمعامل جزء واحد من مربع R، حيث R هي المسافة من الشمس، وهذا يعني أن مربعًا متر واحد من مجموعة شمسية تنتج 400 واط على مسافة 1 وحدة فلكية، يجب أن يكون حجمها 25 مترًا مربعًا بالقرب من كوكب المشتري - وحوالي 2,000 متر مربع بالقرب من بلوتو لإنتاج نفس الطاقة. (ملاحظة: الوحدة الفلكية أو "AU" هي متوسط المسافة بين الأرض والشمس. 1 AU يساوي 150 مليون كيلومتر).
يبحث لانديس وزملاؤه في مركز جلين للخلايا الكهروضوئية وبيئة الفضاء عن طرق جديدة لتسخير طاقة الشمس، بما في ذلك الخلايا الشمسية الأكثر كفاءة، وطاقة الليزر للمركبات الفضائية البعيدة، وطرق الطاقة الشمسية للقمر والمريخ. يقول لانديس: "إن استخدام الطاقة الشمسية هو دراسة معقدة". "إن العثور على حل يتطلب أن نأخذ في الاعتبار عوامل المسافة والوزن وطاقة حزم الضوء المختلفة والمواد الفعلية التي لدينا."
ويقول: "باستخدام تكنولوجيا اليوم، فإن نطاق أشعة الشمس الذي يمكننا استخدامه هو أربع وحدات فلكية من الشمس، حيث تشرق أشعة الشمس بنسبة 1/16 من شدة بيئة الأرض". وهو يقع خلف مدار المريخ (1.5 وحدة فلكية)، ولكنه أقرب إلى الشمس من كوكب المشتري (5.2 وحدة فلكية).
ويقول: "نأمل أن نتمكن من خلال تقنيات الغد من دفع النطاق بعيدًا داخل النظام الشمسي". "على سبيل المثال، قد تستخدم مجمعات الطاقة الشمسية المستقبلية أفلامًا متقدمة - تقريبًا مثل أغلفة الساران - وخلايا شمسية خفيفة الوزن للغاية، والتي يمكن أن تمتد على مساحة فدان (مساحة تساوي 4 كيلومتر مربع-AB) أو أكثر في الحجم . فبدلاً من مركبة فضائية تحمل مصفوفة شمسية، ستكون هناك مصفوفة شمسية تحمل مركبة فضائية".
ستكون مثل هذه الأشرعة العريضة هدفًا للغبار الفضائي سريع الحركة، لذا سيتم تصميمها بحيث تكون مقاومة للثقب ومصنوعة من مادة ذاتية الغلق، وهو تحدٍ آخر يواجه صانعي المركبات الفضائية.
حتى الآن، كانت أبعد مسافة وصلتها مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية هي 2.35 وحدة فلكية، وهو إنجاز تم إنجازه في أكتوبر الماضي بواسطة القمر الصناعي البحثي ستاردست التابع لناسا. سوف تقوم ستاردست بتمديد عملها الفذ كل يوم حتى أبريل 2002، عندما ستصل إلى مسافة قصوى من الشمس تبلغ 2.72 وحدة فلكية في طريقها إلى المذنب WILD 2. تنتج المجموعة الشمسية الخاصة بستاردست طاقة أكثر مما كان متوقعا. ربما لأن خلاياها الكهروضوئية تعمل بكفاءة أكبر في برودة أعماق الفضاء مقارنة بالمختبرات في هيئة الصحة بدبي. لا أحد متأكد، هذه منطقة مجهولة.
ليس بعيدًا عن الشمس مثل غبار النجوم، اختبرت المركبة الفضائية التجريبية "Deep Space 1" مؤخرًا "مكثفًا شمسيًا" - 720 عدسة تركز أشعة الشمس على 3,600 خلية شمسية. كانت Deep Space 1 أول مركبة فضائية بحثية تعمل بالطاقة الشمسية تعتمد حصريًا على خلايا TRIPLE-JUNCTION MULTIBANDGAP. ويولد النظام الصغير ولكن المبتكر 2,500 واط، وهو ما يكفي لتشغيل ثلاثة أجهزة تعمل بالموجات الدقيقة وأكثر من كافية لتشغيل مركبة فضائية بمحرك أيوني.
سيؤدي مثل هذا التقدم في النهاية إلى دفع الطاقة الشمسية إلى أعماق الفضاء، وربما خارج النظام الشمسي تمامًا.
يقول لانديس: "على المدى الطويل، لن تضطر المصفوفات الشمسية إلى الاعتماد على الشمس، فنحن نستكشف فكرة استخدام أشعة الليزر لتوجيه الفوتونات إلى المصفوفة الشمسية. إذا صنعت جهاز ليزر قويًا بما فيه الكفاية، وإذا تمكنت من توجيه الشعاع، فلن يكون هناك حقًا نهاية لنطاق أشعة الشمس - مع عدسات كبيرة بما يكفي يمكننا تسليط الضوء لأبحاث المركبات الفضائية في منتصف الطريق إلى ألفا سنتوري."
إن إسقاط الطاقة الضوئية لأهداف على الأرض، أو في الفضاء، أو على القمر، أو على المريخ والكواكب الأخرى - أو المركبات الفضائية البعيدة - هو مادة من الخيال العلمي. هذا هو المسار الذي يسير فيه جيف لانديس. وهو أيضًا حائز على جائزة هوغو ونيبيولا لكتاب الخيال العلمي! كعالم، يقوم هو وفريقه من وكالة ناسا بالعمل اليومي المتمثل في الوصول إلى حافة أشعة الشمس، ورؤية كيف يتحول الخيال بسرعة إلى حقيقة.
