الطاقة الشمسية المستندة إلى الفضاء (SBSP) هي مفهوم تجميع الطاقة الشمسية في الفضاء الخارجي وتوزيعها على الأرض. وتشمل المزايا المحتملة لجمع الطاقة الشمسية في الفضاء معدل جمع أعلى وفترة تجميع أطول بسبب عدم وجود جو ناشر ، وإمكانية وضع جهاز تجميع الطاقة الشمسية في مكان في المدار حيث لا توجد ليلة. يتم فقدان جزء كبير من الطاقة الشمسية الواردة (55-60 ٪) في طريقها عبر الغلاف الجوي للأرض من خلال تأثيرات الانعكاس والامتصاص. تقوم أنظمة الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء بتحويل ضوء الشمس إلى الموجات الميكروية خارج الغلاف الجوي ، وتجنب هذه الخسائر والوقت الضائع بسبب دوران الأرض ، ولكن بتكلفة كبيرة بسبب تكلفة إطلاق المادة إلى المدار. تعتبر SBSP شكلاً من أشكال الطاقة المستدامة أو الخضراء ، والطاقة المتجددة ، وتعتبر أحيانًا من بين مقترحات هندسة المناخ. وهي جذابة لأولئك الذين يسعون إلى حلول واسعة النطاق لتغير المناخ البشري أو استنزاف الوقود الأحفوري (مثل ذروة النفط).
وقد تم البحث في العديد من مقترحات SBSP منذ أوائل السبعينيات ، ولكن لا يوجد أي منها قابل للبقاء اقتصاديًا مع البنية التحتية لإطلاق الفضاء حاليًا. ويتطلب نظام الميكروويف المتواضع جيجاوات ، الذي يشبه محطة طاقة تجارية كبيرة ، إطلاق نحو 80 ألف طن من المواد إلى المدار ، مما يجعل تكلفة الطاقة من هذا النظام أعلى تكلفة من الطاقة المتجددة الحالية. ويتكهن بعض التقنيين أن هذا قد يتغير في المستقبل البعيد إذا ما تم تطوير قاعدة صناعية خارج العالم يمكنها تصنيع سواتل الطاقة الشمسية من الكويكبات أو المواد القمرية ، أو في حالة ظهور تكنولوجيات إطلاق فضائية جديدة جذرية بخلاف الصواريخ. مستقبل.
بالإضافة إلى تكلفة تنفيذ مثل هذا النظام ، تقدم SBSP العديد من العقبات التكنولوجية ، بما في ذلك مشكلة نقل الطاقة من مدار إلى سطح الأرض للاستخدام. بما أن الأسلاك الممتدة من سطح الأرض إلى ساتل مداري غير عملية وغير ممكنة مع التكنولوجيا الحالية ، فإن تصميمات SBSP تشمل بشكل عام استخدام بعض أساليب نقل الطاقة اللاسلكية مع أوجه قصور التحويل المصاحبة لها ، وكذلك مخاوف استخدام الأراضي لمحطات الهوائي اللازمة الحصول على الطاقة على سطح الأرض. وسيقوم ساتل التجميع بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية على متن المركبة ، أو تشغيل جهاز إرسال أو جهاز إرسال ليزر بالميكروويف ، ونقل هذه الطاقة إلى مجمِّع (أو مستقبِل ميكروي) على سطح الأرض. وخلافا لمظاهر الـ SBSP في الروايات الشعبية وألعاب الفيديو ، فإن معظم التصاميم تقترح كثافات طاقة الحزمة التي لا تكون ضارة إذا تعرض البشر عن غير قصد ، مثل إذا كان شعاع القمر الصناعي الناقل يتجول خارج المسار. غير أن الحجم الهائل للهوائيات المستقبلة التي ستكون ضرورية سيستلزم وجود كتل كبيرة من الأراضي بالقرب من المستخدمين النهائيين الذين سيتم شراؤهم وتكريسهم لهذا الغرض. كما يمكن أن تصبح حياة خدمة المجمعات الفضائية في مواجهة التحديات الناجمة عن التعرض الطويل الأمد للبيئة الفضائية ، بما في ذلك التدهور من الإشعاع والضرر الميكروي ، مصدر قلق بالنسبة إلى برنامج SBSP.
تتم متابعة SBSP بنشاط من قبل اليابان والصين وروسيا. في عام 2008 ، أصدرت اليابان قانون الفضاء الأساسي الذي أنشأ الفضاء للطاقة الشمسية كهدف وطني ، و JAXA لديه خارطة طريق ل SBSP التجارية. في عام 2015 ، أطلعت الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء (CAST) على خارطة الطريق الخاصة بها في المؤتمر الدولي لتنمية الفضاء (ISDC) حيث عرضت خريطة الطريق الخاصة بها إلى نظام تجاري 1 GW في عام 2050 وكشفت النقاب عن شريط فيديو ووصف لتصميمها.
التحديات
محتمل
مفهوم SBSP جذاب لأن الفضاء له العديد من المزايا الرئيسية على سطح الأرض لجمع الطاقة الشمسية:
هو دائما الشمسية الظهيرة في الفضاء والشمس الكاملة.
ويمكن أن يتلقى جمع الأسطح أشعة أشد كثافة بكثير ، بسبب عدم وجود عوائق مثل الغازات الجوية ، والغيوم ، والغبار ، والأحوال الجوية الأخرى. ونتيجة لذلك ، تبلغ شدة المدار حوالي 144٪ من الحد الأقصى للكثافة التي يمكن بلوغها على سطح الأرض.
يمكن إضاءة القمر الصناعي فوق 99٪ من الوقت ، ويكون في ظل الأرض بحد أقصى 72 دقيقة فقط في الليلة عند الاعتدليين الربيع والخريفي في منتصف الليل المحلي. يمكن أن تتعرض الأقمار الصناعية التي تدور حولها إلى درجة عالية باستمرار من الإشعاع الشمسي ، لمدة 24 ساعة في اليوم ، في حين أن الألواح الشمسية على سطح الأرض تجمع الطاقة حاليًا بمعدل 29٪ من اليوم.
يمكن إعادة توجيه الطاقة بشكل سريع نسبيًا إلى المناطق التي تحتاج إليها بشكلٍ أسرع. يمكن لساتل تجميع أن يوجّه الطاقة عند الطلب إلى مواقع سطح مختلفة استنادًا إلى التحميل الجزئي أو احتياجات طاقة الحمل القصوى. ستكون العقود النموذجية بالنسبة للقاعدة ، والسلطة المستمرة ، لأن طاقة الذروة سريعة الزوال.
القضاء على تدخل النباتات والحياة البرية.
مع التطبيقات واسعة النطاق للغاية ، وخاصة على الارتفاعات المنخفضة ، يمكن أن تقلل الإشعاع الشمسي القادم من سطح الأرض. هذا من شأنه أن يكون مرغوبا في التصدي لآثار ظاهرة الاحتباس الحراري.
عيوب
مفهوم SBSP أيضا لديه عدد من المشاكل:
التكلفة الكبيرة لإطلاق قمر صناعي إلى الفضاء
إن لعنة الصفيف النحيف تمنع انتقال الطاقة بكفاءة من الفضاء إلى سطح الأرض
عدم القدرة على الوصول: إن صيانة الألواح الشمسية الأرضية بسيطة نسبياً ، ولكن الإنشاء والصيانة على الألواح الشمسية في الفضاء عادة ما يتم القيام بها بشكل آلي. بالإضافة إلى التكلفة ، يتعرض رواد الفضاء الذين يعملون في جيو (مدار الأرض المتزامن مع الأرض) لأخطار عالية غير مقبولة من الإشعاع والمخاطر وتكلف أكثر بحوالي ألف مرة من نفس المهمة التي تم إجراؤها عن طريق telerobotically.
البيئة الفضائية هي معادية. تتعرض الألواح لحوالي 8 أضعاف الانحطاط الذي تتعرض له على الأرض (باستثناء المدارات التي يحميها الغلاف المغنطيسي).
يشكل الحطام الفضائي خطراً كبيراً على الأجسام الكبيرة في الفضاء ، وقد أشير إلى جميع الهياكل الكبيرة مثل أنظمة SBSP كمصادر محتملة للحطام المداري.
سيتطلب تردد البث للوصلة الهابطة للمايكرويف (إذا ما استخدمت) عزل أنظمة SBSP بعيداً عن سواتل أخرى. لقد تم استخدام فضاء جيو بشكل جيد بالفعل ، ويعتبر من غير المحتمل أن يسمح الاتحاد باستخدام نظام SPS. [الاستشهاد غير ذي صلة]
الحجم الكبير والتكلفة المقابلة لمحطة الاستقبال على الأرض.
فقدان الطاقة خلال عدة مراحل من التحويل من الفوتونات إلى الإلكترونات إلى الفوتونات إلى الإلكترونات.
التصميم
تتكون الطاقة الشمسية المستندة إلى الفضاء أساسًا من ثلاثة عناصر:
جمع الطاقة الشمسية في الفضاء مع العواكس أو المرايا القابلة للنفخ على الخلايا الشمسية
نقل الطاقة اللاسلكية إلى الأرض عبر الميكروويف أو الليزر
تلقي الطاقة على الأرض عن طريق المستقيم ، وهو هوائي الميكروويف
لن يحتاج الجزء الفضائي إلى دعم نفسه ضد الجاذبية (بخلاف ضغوط المد والجزر الضعيفة نسبيًا). فهي لا تحتاج إلى أي حماية من الرياح الأرضية أو الطقس ، ولكنها ستضطر إلى التعامل مع المخاطر الفضائية مثل النيازك الدقيقة والصمامات الشمسية. تمت دراسة طريقتين أساسيتين للتحويل: الكهروضوئية (PV) والديناميكية الشمسية (SD). وقد ركزت معظم تحليلات SBSP على التحويل الكهروضوئي باستخدام الخلايا الشمسية التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. تستخدم الديناميكية الشمسية مرايا لتركيز الضوء على غلاية. استخدام ديناميكيات الطاقة الشمسية يمكن أن يقلل الكتلة لكل واط. تم اقتراح نقل الطاقة اللاسلكية في وقت مبكر كوسيلة لنقل الطاقة من التجميع إلى سطح الأرض ، باستخدام إما إشعاع الميكروويف أو الليزر في مجموعة متنوعة من الترددات.
انتقال طاقة الميكروويف
تظاهر وليام سي. براون في عام 1964 ، خلال برنامج “سي بي إس” الإخباري “والتر كرونكايت” ، وهو مروحية نموذجية تعمل بالميكروويف استلمت كل الطاقة اللازمة للهروب من شعاع الموجات الدقيقة. بين عامي 1969 و 1975 ، كان بيل براون المدير الفني لبرنامج JPL Raytheon الذي بث 30 كيلوواط من الطاقة على مسافة ميل واحد (1.6 كم) بنسبة كفاءة 84٪.
وقد أثبتت الاختبارات القائمة في غولدستون في كاليفورنيا (1975) وجراند باسين في جزيرة ريونيون (1997) أن نقل الطاقة الكهربائية بالمقدار عشرات الكيلوواط قد أثبتت نجاحه.
في الآونة الأخيرة ، تم عرض نقل الطاقة الميكروويف ، بالتزامن مع التقاط الطاقة الشمسية ، بين قمة جبل في ماوي وجزيرة هاواي (92 ميلا) ، من قبل فريق تحت جون سي مانكينز. إن التحديات التكنولوجية من حيث تخطيط الصفيف والتصميم الإشعاعي المفرد والكفاءة الكلية ، فضلاً عن الحدود النظرية المرتبطة بها ، هي في الوقت الحاضر موضوع بحث ، كما يتضح من خلال الدورة الاستثنائية المعنية “تحليل الأنظمة اللاسلكية الكهرومغناطيسية لنقل الطاقة الشمسية “سيعقد في ندوة IEEE 2010 على الهوائيات والدعوة. في عام 2013 ، نُشرت نظرة عامة مفيدة ، تغطي التكنولوجيات والقضايا المرتبطة بنقل القدرة بالميكروويف من الفضاء إلى الأرض. ويشمل مقدمة ل SPS ، والبحوث الحالية والآفاق المستقبلية. وعلاوة على ذلك ، ظهر استعراض للمنهجيات والتقنيات الحالية لتصميم صفيف الهوائي لإرسال قدرة الموجات الصغرية في محاضر اجتماعات IEEE
قوة الليزر
وقد تصور البعض في وكالة ناسا انبعاث طاقة الليزر كخطوة نحو مزيد من التصنيع في الفضاء. في ثمانينيات القرن العشرين ، عمل الباحثون في وكالة ناسا على إمكانية استخدام أشعة الليزر في بثّ القدرة من الفضاء إلى الفضاء ، مع التركيز بشكل أساسي على تطوير ليزر يعمل بالطاقة الشمسية. في عام 1989 تم اقتراح أن الطاقة يمكن أيضا أن تكون مفيدة عن طريق الليزر من الأرض إلى الفضاء. في عام 1991 ، بدأ مشروع SELENE (SpacE Laser ENErgy) ، والذي شمل دراسة قوة إرسال الليزر لتزويد الطاقة إلى قاعدة قمرية. كان برنامج SELENE جهدًا بحثيًا استغرق عامين ، ولكن تكلفة نقل المفهوم إلى الوضع التشغيلي كانت عالية جدًا ، وانتهى المشروع الرسمي في عام 1993 قبل الوصول إلى عرض فضائي.
في عام 1988 ، اقترح جرانت لوجان استخدام ليزر يستند إلى الأرض لتشغيل قوة دافعة كهربية للدفع الفضائي ، مع وضع تفاصيل تقنية في عام 1989. واقترح استخدام خلايا الألماس الشمسية التي تعمل عند 600 درجة لتحويل ضوء الليزر فوق البنفسجي.
الموقع المداري
تتمثل الميزة الرئيسية لتحديد موقع محطة طاقة فضائية في المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض في أن هندسة الهوائي تبقى ثابتة ، وبذلك يكون الحفاظ على الهوائيات هو أبسط. وهناك ميزة أخرى تتمثل في أن إرسال الطاقة بشكل شبه مستمر متاح على الفور بمجرد وضع أول محطة طاقة فضائية في المدار ؛ محطات الطاقة الفضائية الأخرى لديها أوقات بدء أطول بكثير قبل أن تنتج طاقة مستمرة تقريبًا. تم اقتراح مجموعة من المحطات الفضائية لتوليد الطاقة LEO (المدار الأرضي المنخفض) كبادرة على الطاقة الشمسية في الفضاء (GEO) المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GEO).
مستقبل الأرض
من المرجح أن يتكون المستقيم الأرضي من العديد من الهوائيات ثنائية القطب القصيرة المتصلة عبر الثنائيات. وسيتم استقبال بث الميكروويف من القمر الصناعي في ثنائيات القطب بكفاءة تصل إلى 85٪. مع وجود هوائي تقليدي للموجات الدقيقة ، تكون كفاءة الاستقبال أفضل ، ولكن تكلفتها وتعقيدها أكبر بكثير أيضًا. من المحتمل أن يكون Rectennas عدة كيلومترات عبر.
في التطبيقات الفضائية
يمكن لقوة SBSP الليزرية أيضًا تشغيل قاعدة أو مركبات على سطح القمر أو المريخ ، مما يوفر التكاليف الإجمالية لتوجيه مصدر الطاقة. يمكن أيضًا تشغيل مركبة فضائية أو قمر صناعي آخر بنفس الوسائل. في تقرير عام 2012 المقدم إلى وكالة ناسا حول الطاقة الشمسية في الفضاء ، يشير المؤلف إلى استخدام محتمل آخر للتكنولوجيا الكامنة وراء الطاقة الشمسية للفضاء يمكن أن يكون من أجل أنظمة الدفع الكهربائية الشمسية التي يمكن استخدامها في مهام استكشاف الإنسان بين الكواكب.
تكاليف التشغيل
تتمثل إحدى مشكلات مفهوم SBSP في تكلفة إطلاق الفضاء ومقدار المواد المطلوب إطلاقها.
لا يحتاج الكثير من المواد التي يتم إطلاقها إلى تسليمها إلى المدار النهائي على الفور ، مما يثير إمكانية أن تقوم محركات عالية الكفاءة (ولكن أبطأ) بنقل مواد SPS من LEO إلى GEO بتكلفة مقبولة. وتشمل أمثلة ذلك الدفعات الأيونية أو الدفع النووي. تحمل الطاقة المرسلة من المدار المستقر بالنسبة إلى الأرض بواسطة الموجات الدقيقة الصعوبة التي تكون بها أحجام “الفتحة الضوئية” المطلوبة كبيرة جدًا. على سبيل المثال ، تطلبت دراسة NASA SPS لعام 1978 هوائي إرسال قطره 1 كم ، ومستقبلة استقبال قطرها 10 كم ، لحزمة موجية عند 2.45 جيجاهرتز. يمكن تقليل هذه الأحجام إلى حد ما باستخدام أطوال موجية أقصر ، على الرغم من أنها قد زادت من امتصاص الغلاف الجوي وحتى انسداد الحزمة المحتملة بسبب الأمطار أو قطرات الماء. بسبب لعنة صفيف رقيق ، ليس من الممكن جعل شعاع أضيق من خلال الجمع بين الحزم من عدة أقمار اصغر. ويعني الحجم الكبير لهوائيات الإرسال والاستقبال أن الحد الأدنى من مستوى القدرة العملية لسلسلة SPS سيكون بالضرورة مرتفعًا ؛ أنظمة SPS الصغيرة ستكون ممكنة ، لكنها غير اقتصادية.
لإعطاء فكرة عن حجم المشكلة ، بافتراض وجود كتلة شمسية تبلغ 20 كجم لكل كيلوواط (دون اعتبار كتلة الهيكل الداعم أو الهوائي أو أي تخفيض كبير في أي مرايا تركيز) فإن محطة طاقة بقوة 4 جيجاوات تزن ﺣﻮاﱄ ٨٠ ٠٠٠ ﻃﻦ ﻣﺘﺮي ، ﻛﻠﻬﺎ ﰲ ﻇﻞ اﻟﻈﺮوف اﳊﺎﻟﻴﺔ ، ﺗﻄﻠﻖ ﻣﻦ اﻷرض. من المحتمل أن تصل التصاميم الخفيفة الوزن إلى 1 كجم / كيلوواط ، وهذا يعني 4000 طن متري للألواح الشمسية لنفس المحطة السعة 4 جيجاوات. وسيكون هذا ما يعادل إطلاق ما بين 40 و 150 مركبة إطلاق (LWL) ذات دفع ثقيل لإرسال المادة إلى مدار أرضي منخفض ، حيث من المحتمل أن يتم تحويلها إلى صفائف شمسية تعمل بنظام تجميع جزئي ، والتي يمكن أن تستخدم أسلوب محرك أيون عالي الكفاءة تصل الصواريخ (ببطء) إلى GEO (مدار حول الأرض). مع التكلفة التقديرية للتشغيل المتسلسل لـ HLLVs من 500 مليون دولار إلى 800 مليون دولار ، وتكاليف إطلاق HLLV بديلة بقيمة 78 مليون دولار ، ستتراوح تكاليف الإطلاق الإجمالية بين 11 مليار دولار (تكلفة منخفضة HLLV ، لوحات منخفضة الوزن) و 320 مليار دولار ( باهظة الثمن ‘HLLV ، لوحات أثقل). إلى هذه التكاليف يجب إضافة التأثير البيئي لبعثات إطلاق الفضاء الثقيل ، إذا كانت هذه التكاليف ستستخدم بالمقارنة مع إنتاج الطاقة الأرضية. وعلى سبيل المقارنة ، تتراوح التكلفة المباشرة لمحطة جديدة لتوليد الطاقة من الفحم أو الطاقة النووية من 3 إلى 6 مليارات دولار لكل جيجاوات (لا تشمل التكلفة الكاملة للبيئة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو تخزين الوقود النووي المستنفد ، على التوالي) ؛ مثال آخر هو أن مهمات أبولو إلى القمر تكلف ما مجموعه 24 مليار دولار (1970 دولار) ، مع أخذ التضخم في الحسبان ، سيكلف 140 مليار دولار اليوم ، أكثر تكلفة من بناء محطة الفضاء الدولية.
البناء من الفضاء
من المواد القمرية التي تطلق في المدار
اقترح جيرارد أونيل ، مشيراً إلى مشكلة تكاليف الإطلاق المرتفعة في أوائل السبعينيات ، بناء SPS في مداره بمواد من القمر. من المحتمل أن تكون تكاليف إطلاق القمر أقل بكثير من الأرض ، نظرًا لانخفاض الجاذبية ونقص السحب الجوي. اقتُرِض اقتراح السبعينيات تكاليف إطلاق المكوك الفضائية التي أعلنت عنها وكالة ناسا في المستقبل. وسوف يتطلب هذا النهج استثمار رأس مال كبير مقدمًا لإنشاء محركات جماهيرية على القمر. ومع ذلك ، في 30 نيسان / أبريل 1979 ، خلص التقرير النهائي (“استخدام الموارد القمرية لبناء الفضاء”) من قبل قسم كونفيرنس في جنرال ديناميكس ، بموجب عقد وكالة ناسا NAS9-15560 ، إلى أن استخدام الموارد القمرية سيكون أرخص من المواد الأرضية نظام عدد قليل من ثلاثين أقمار صناعية للطاقة الشمسية قدرة 10GW لكل منهما.
في عام 1980 ، عندما أصبح من الواضح أن تقديرات تكلفة إطلاق ناسا لمكوك الفضاء كانت متفائلة بشكل كبير ، O’Neill et al. نشرت طريقا آخر للتصنيع باستخدام المواد القمرية مع تكاليف بدء التشغيل أقل بكثير. اعتمد مفهوم SPS في ثمانينات القرن العشرين بشكل أقل على الوجود البشري في الفضاء وأكثر على الأنظمة الجزئية المتماثلة ذاتيًا على سطح القمر تحت التحكم عن بعد للعمال المتمركزين على الأرض. ويستمد ارتفاع الطاقة الصافية من هذا الاقتراح من بئر القمر الأقل عمقا بكثير.
إن وجود مصدر رخامي نسبيًا لكل رطل من المواد الخام من الفضاء من شأنه أن يقلل من الاهتمام بالتصميمات ذات الكتلة المنخفضة وينتج عن ذلك نوعًا مختلفًا من أنظمة الصحة والصحة النباتية التي يتم بناؤها. وسيتم دعم التكلفة المنخفضة لكل رطل من المواد القمرية في رؤية أونيل باستخدام المواد القمرية لتصنيع المزيد من المرافق في المدار أكثر من الأقمار الصناعية للطاقة الشمسية فقط. قد تقلل التقنيات المتقدمة لإطلاق القمر من تكلفة بناء قمر صناعي بالطاقة الشمسية من المواد القمرية. وتشمل بعض التقنيات المقترحة سائق الكتلة القمرية ومصعد الفضاء القمري ، الذي وصفه لأول مرة جيروم بيرسون. وسوف يتطلب إنشاء مرافق لتصنيع السليكون ومعالجة الخلايا الشمسية على القمر.
على القمر
يشير الفيزيائي الدكتور ديفيد كريسويل إلى أن القمر هو المكان الأمثل لمحطات الطاقة الشمسية ، ويعزز الطاقة الشمسية القائمة على القمر. الميزة الرئيسية التي يتصورها هي البناء إلى حد كبير من المواد القمرية المتاحة محليًا ، باستخدام استخدام الموارد في الموقع ، مع مصنع متنقل متحرك ورافعة لتجميع عاكسات الموجات الصغرية ، وجمعيات لتجميع وتهيئة الخلايا الشمسية ، مما سيقلل بشكل كبير تكاليف الإطلاق مقارنة لتصاميم SBSP. وتعتبر سواتل ترحيل الطاقة التي تدور حول الأرض والقمر والتي تعكس حزمة الموجات الميكروية جزءًا من المشروع أيضًا. مشروع تجريبي من 1 GW يبدأ من 50 مليار دولار. تستخدم شركة Shimizu مزيجًا من الليزر والموجات الدقيقة لمفهوم Luna Ring ، إلى جانب الأقمار الصناعية لترحيل الطاقة.
من كويكب
التعدين الكويكب كما تم النظر بجدية. قيمت دراسة التصميم التي أجرتها وكالة الطيران والفضاء الأمريكية (ناسا) مركبة تعدين سعتها 10 آلاف طن (سيتم تجميعها في المدار) والتي ستعيد شظية من الكويكب يبلغ حجمها 500 ألف طن إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض. فقط حوالي 3،000 طن من سفينة التعدين سوف يكون الحمولة التقليدية من الدرجة الفضائية. أما الباقي فسيكون كتلة تفاعل لمحرك السائق الشامل ، والتي يمكن ترتيبها لتكون مراحل الصواريخ المستنفذة المستخدمة لإطلاق الحمولة. وبافتراض أن 100٪ من الكويكب المرتجع كان مفيدًا ، وأنه لا يمكن إعادة استخدام عامل الكويكبات في التعدين ، فإن ذلك يمثل تقريبًا 95٪ من تكاليف الإطلاق. ومع ذلك ، فإن المزايا الحقيقية لمثل هذه الطريقة تعتمد على مسح شامل للمعادن للكويكبات المرشحة ؛ حتى الآن ، لدينا تقديرات فقط من تكوينها. أحد الاقتراحات هو التقاط الكويكب أبوفيس في مدار الأرض وتحويله إلى 150 ساتلًا بالطاقة الشمسية يبلغ كل منها 5 جيجاوات أو أكبر الكويكب 1999 AN10 الذي يبلغ حجمه 50 ضعفًا حجم أبوفيس وكبيرًا بما يكفي لبناء 7500 ساتل من الطاقة الشمسية بسعة 5 غيغاوات
تكوينات غير نمطية والاعتبارات المعمارية
يتضمن نظام الأنظمة المرجعي النموذجي عددًا كبيرًا (عدة آلاف من الأنظمة متعددة الجيجاوات لخدمة كل أو جزءًا كبيرًا من متطلبات الطاقة للأرض) من السواتل الفردية في GEO. يتألف التصميم المرجعي النموذجي للساتل الفردي من نطاق 1 إلى 10 جيجاوات وعادة ما يشتمل على الخلايا الشمسية الكهروضوئية المستوية أو المركزة (PV) كجهاز تجميع / تحويل للطاقة. وتتمثل تصميمات الإرسال الأكثر شيوعاً في النطاق RF 1–10 (GHz 28،5 أو GHz 5،8) حيث تكون هناك خسائر دنيا في الغلاف الجوي. يتم الحصول على المواد الخاصة بالأقمار الصناعية من ، وتصنيعها على الأرض ومن المتوقع نقلها إلى المدار الأرضي المنخفض عبر إطلاق صاروخي قابل لإعادة الاستخدام ، ويتم نقله بين المدار الأرضي المنخفض و GEO عبر الدفع الكيميائي أو الكهربائي. باختصار ، خيارات الهندسة المعمارية هي:
الموقع = جيو
مجموعة الطاقة = PV
الأقمار الصناعية = هيكل متآلف
ناقل الحركة = RF
المواد والتصنيع = الأرض
Installation = RLVs to LEO، Chemical to GEO
هناك العديد من المتغيرات التصميمية المثيرة للاهتمام من النظام المرجعي:
موقع بديل للطاقة: على الرغم من أن توقعات البيئة العالمية هي الأكثر شيوعًا نظرًا لمزاياها من قربها من الأرض ، وتوجيهها وتتبعها بشكل مبسط ، ووقت صغير جدًا في حالة الغيوب ، وقابلية التوسع لتلبية جميع الطلبات العالمية عدة مرات ، فقد تم اقتراح مواقع أخرى:
Sun Earth L1: اقترح كل من روبرت كينيدي الثالث وكين روي وديفيد فيلدز نوعًا مختلفًا من ظلة L1 تسمى “Dyson Dots” حيث يقوم مجمع أساسي متعدد التيراتوات بإرجاع الطاقة إلى سلسلة من سواتل الاستقبال المتزامنة مع الشمس LEO. تتطلب المسافة الأبعد إلى الأرض فتحة إرسال أكبر من ذلك.
سطح القمر: اقترح الدكتور ديفيد كريسويل استخدام السطح القمري نفسه كوسط الجمع ، حيث يرسل الطاقة إلى الأرض عبر سلسلة من عاكسات الموجات الميكروية في مدار الأرض. وتتمثل الميزة الرئيسية لهذا النهج في القدرة على تصنيع مجمعات الطاقة الشمسية في الموقع دون تكلفة الطاقة وتعقيد الإطلاق. وتشمل المساوئ المسافة الأطول بكثير ، التي تتطلب أنظمة إرسال أكبر ، و “overbild” مطلوبة للتعامل مع ليلة القمر ، وصعوبة التصنيع الكافي والإشارة إلى الأقمار الصناعية العاكس.
MEO: تم اقتراح أنظمة MEO للمرافق في الفضاء والبنى التحتية لدفع شعاع الطاقة. على سبيل المثال ، انظر ورقة رويس جونز.
تم اقتراح مدارات إهليلجية عالية: مدارات مولنيا ، أو تندرا ، أو كوازي زينيث كمواقع مبكرة للأسواق المتخصصة ، مما يتطلب طاقة أقل للوصول إلى المثابرة وتوفيرها.
Sun-Sync LEO: في هذا المدار القريب من القطبية ، تسبق السواتل بمعدل يسمح لها دائمًا بمواجهة الشمس أثناء دورانها حول الأرض. هذا سهل الوصول إلى المدار الذي يتطلب طاقة أقل بكثير ، وقربها من الأرض يتطلب فتحات إرسال أصغر (وبالتالي أقل ضخامة). ومع ذلك ، فإن عيوب هذا النهج تشمل الاضطرار إلى تحويل محطات الاستقبال باستمرار ، أو تخزين الطاقة من أجل إرسال الرشقة. هذا المدار مزدحم بالفعل ولديه حطام فضائي كبير.
واو LEO الاستوائية: اقترحت اليابان SPS 2000 متظاهر في وقت مبكر في المدار الأرضي المنخفض ، حيث يمكن للدول المتعددة المشاركة في الاستواء الحصول على بعض القوة.
سطح الأرض: اقترح د. نارايان كوميرات شبكة طاقة فضاء حيث يمكن نقل الطاقة الزائدة من شبكة موجودة أو محطة طاقة على جانب واحد من الكوكب إلى المدار ، عبر ساتل آخر إلى المستقبِلات.
مجموعة الطاقة: تشمل التصاميم الأكثر شيوعًا للأقمار الاصطناعية للطاقة الشمسية الطاقة الشمسية. قد تكون هذه مستوية (وعادة ما تكون مبردة بشكل سلبي) ، مركزة (وربما نشطة التبريد). ومع ذلك ، هناك العديد من المتغيرات المثيرة للاهتمام.
الطاقة الحرارية الشمسية: اقترح مؤيدو الطاقة الشمسية الحرارية استخدام التدفئة المركزة لإحداث تغيير في حالة السوائل لاستخراج الطاقة عبر الآلات الدوارة متبوعة بالتبريد في المشعاعات. قد تتضمن مزايا هذه الطريقة كتلة النظام الكلية (المتنازع عليها) ، وعدم التحلل بسبب تلف الرياح الشمسية ، والتسامح الإشعاعي. تم تصور أحد تصميم القمر الصناعي الحراري الشمسي الأخير بواسطة كيث هينسون هنا.
الليزر المضخوخ بالطاقة الشمسية: اتبعت اليابان ليزرًا ضخًا بالطاقة الشمسية ، حيث يستثير ضوء الشمس مباشرةً وسيط الليزر المستخدم في إنشاء الحزمة المتماسكة للأرض.
الانصهار الانصهار: هذا الإصدار من القمر الصناعي بالطاقة ليست “الطاقة الشمسية”. بدلاً من ذلك ، يُنظر إلى فراغ الفضاء على أنه “ميزة وليس خطأ” للاندماج التقليدي. لكل دكتور بول فربوس ، بعد الاندماج ، حتى الجسيمات المحايدة تتحلل إلى جسيمات مشحونة والتي في حجم كبير بما يكفي تسمح بالتحويل المباشر إلى التيار. [بحاجة لمصدر]
حلقة طاقة الرياح الشمسية: وتسمى أيضًا القمر الصناعي دايسون-هاروب. هنا لا يستخدم القمر الصناعي الفوتونات من الشمس بل بالأحرى الجسيمات المشحونة في الريح الشمسية التي تؤدي عبر الاقتران الكهرومغناطيسي إلى توليد تيار في حلقة كبيرة.
المرايا المباشرة: لقد عانت المفاهيم المبكرة لإعادة توجيه المرآة المباشرة للضوء إلى كوكب الأرض من مشكلة أن الأشعة القادمة من الشمس ليست متوازية ولكنها تتوسع من قرص وبالتالي فإن حجم البقعة على الأرض كبير للغاية. استكشف الدكتور لويس فراس مجموعة من المرايا المكافئة لزيادة الصفائف الشمسية الموجودة.
هندسة الأقمار الصناعية البديلة: الساتل النموذجي هو هيكل مترابط يتكون من دعامات تركيبية ، واحد أو أكثر من المجمعات ، واحد أو أكثر من المرسلات ، وأحيانا عاكسات أولية وثانوية. البنية الكاملة قد تكون مستقرة تدرج الجاذبية. التصاميم البديلة تشمل:
أسراب من سواتل أصغر: تقترح بعض التصاميم أسراب من سواتل أصغر تحلق بشكل حر. هذا هو الحال مع العديد من تصاميم الليزر ، ويبدو أن هذا هو الحال مع CALTECH’s Flying Carpets. بالنسبة لتصميمات الترددات اللاسلكية ، يكون القيد الهندسي هو مشكلة الصفيف المتناثر.
المكونات العائمة الحرة: اقترحت Solaren بديلاً للهيكل الأحادي المتجانس حيث يكون العاكس الأساسي وعاكس نقل الحركة طليقًا.
استقرار السبين: بحثت ناسا مفهومًا رقيقًا مستقراً تدور حول السبين.
استقرت تقنية التفجير الضوئي بالليزر (PLT) في البنية: اقترح الدكتور يانج باي أن ضغط الفوتون قد يحل محل أعضاء الانضغاط في الهياكل الكبيرة.
الإرسال: التصميم الأكثر شيوعاً لنقل الطاقة هو عبر هوائي RF أقل من GHz 10 إلى مستقيمة على الأرض. يوجد جدل بين فوائد Klystrons و Gyrotrons و Magnetrons و الحالة الصلبة. تشمل مناهج الإرسال البديلة ما يلي:
الليزر: يقدم الليزر ميزة التكلفة المنخفضة والكتلة إلى القوة الأولى ، ولكن هناك جدل حول فوائد الكفاءة. تسمح الليزر لفتحات الإرسال والاستقبال الأصغر بكثير. ومع ذلك ، فإن شعاعًا عالي التركيز يتمتع بسلامة العين والسلامة من الحرائق ومخاوف التسلح. يعتقد أنصار لديهم إجابات على كل هذه المخاوف. يجب أيضًا أن يجد النهج القائم على الليزر طرقًا بديلة للتعامل مع التهطال.
دليل موجات الغلاف الجوي: اقترح البعض أنه قد يكون من الممكن استخدام ليزر نبضي قصير لإنشاء موجه موجات جوي من خلاله يمكن أن تتدفق الموجات الدقيقة المركزة.
عددي: البعض قد تكهن حتى أنه قد يكون من الممكن لنقل السلطة من خلال موجات العددية.
التوليف النووي: يمكن لمسرعات الجسيمات القائمة في النظام الشمسي الداخلي (سواء في المدار أو على كوكب مثل الزئبق) أن تستخدم الطاقة الشمسية لتجميع الوقود النووي من المواد الطبيعية. في حين أن هذا سيكون غير فعال إلى حد كبير باستخدام التكنولوجيا الحالية (من حيث كمية الطاقة اللازمة لتصنيع الوقود مقارنة بكمية الطاقة التي يحتوي عليها الوقود) ومن شأنه أن يثير قضايا السلامة النووية الواضحة ، وهي التقنية الأساسية التي سيتبعها هذا النهج تعتمد على استخدامها منذ عقود ، مما يجعل هذا الوسيلة الأكثر موثوقية لإرسال الطاقة خاصة عبر مسافات طويلة جدا – على وجه الخصوص ، من النظام الشمسي الداخلي إلى النظام الشمسي الخارجي.
المواد والتصنيع: تستخدم التصاميم النموذجية نظام التصنيع الصناعي المتقدم الموجود على الأرض ، وتستخدم مواد تستند إلى الأرض لكل من الساتل والوقود. المتغيرات تشمل:
المواد القمرية: توجد تصاميم للأقمار الصناعية للطاقة الشمسية التي مصدر> 99 ٪ من المواد من regolith القمرية مع مدخلات صغيرة جدا من “الفيتامينات” من مواقع أخرى. استخدام مواد من القمر جذاب لأن الإطلاق من القمر نظريا أقل تعقيدا بكثير من الأرض. لا يوجد جو ، وبالتالي لا تحتاج المكونات إلى أن تكون معبأة بإحكام في الأيروسول ، وأن تبقى على قيد الحياة في أحمال الاهتزاز والضغط ودرجة الحرارة. قد يكون الإطلاق عن طريق محرك كتلة مغناطيسي ومتطلب استخدام الوقود الدفعي للإطلاق بالكامل. انطلاقاً من القمر ، تحتاج جيو أيضاً إلى طاقة أقل بكثير من طاقة الجاذبية الأعمق بكثير. يتطلب بناء جميع السواتل التي تعمل بالطاقة الشمسية لتزويد جميع الطاقة المطلوبة بالكامل لكوكب الأرض بأكمله أقل من مليون جزء من كتلة القمر.
التكرار الذاتي للقمر: بحثت ناسا مصنعًا ذاتي التكرار على القمر في عام 1980. وفي الآونة الأخيرة ، اقترح جوستين لويس ويبر طريقة لتصنيع عناصر أساسية مبنية على أساس تصميم جون مانكنز SPS-Alpha.
المواد الكويكبية: يعتقد أن بعض الكويكبات تحتوي على دلتا – V أقل لاستعادة المواد من القمر ، وبعض المواد ذات الأهمية الخاصة مثل المعادن قد تكون أكثر تركيزًا أو أسهل في الوصول إليها.
التصنيع في الفضاء / في الداخل: مع ظهور التصنيع الإضافي في الفضاء ، قد تسمح مفاهيم مثل SpiderFab بإطلاق المواد الخام بشكل كامل للبثق المحلي.
الحجج المضادة
سلامة
كان استخدام إرسال الموجات الصغرية للقوة أكثر القضايا إثارة للجدل في النظر في أي تصميم لنظام SPS. على سطح الأرض ، سيكون لشعاع موجي مقترح كثافة قصوى في مركزه ، من 23 mW / cm2 (أقل من 1/4 ثابت التشعيع الشمسي) ، وشدة أقل من 1 mW / cm2 خارج fenceline المستقيم ( محيط المتلقي). هذه المقارنة مع حدود التعرض الحالية لأماكن العمل في السلامة المهنية والصحة المهنية في الولايات المتحدة (OSHA) لأفران الميكروويف ، والتي تبلغ 10 ميجاواط / سم 2 ، – الحد الذي يتم التعبير عنه في شروط طوعية وحكم غير قابل للتنفيذ لأغراض الإنفاذ الفدرالي في OSHA. وبالتالي فإن حزمة من هذه الشدة هي في مركزها ، ذات حجم مماثل لمستويات أماكن العمل الآمنة الحالية ، حتى بالنسبة للتعرض الطويل الأجل أو غير المحدد. خارج جهاز الاستقبال ، فهو أقل بكثير من مستويات OSHA طويلة المدى. أكثر من 95٪ من طاقة الحزمة ستقع على المستقيم. وسيتم امتصاص وتشتت طاقة الميكروويف المتبقية بشكل جيد ضمن المعايير المفروضة حالياً على انبعاثات الميكروويف في جميع أنحاء العالم. من المهم بالنسبة لكفاءة النظام أن يتم تركيز أكبر قدر ممكن من إشعاع الميكروويف على المستقيم. خارج المستطيل ، تنخفض شدة الميكروويف بسرعة ، لذا يجب ألا تتأثر المدن القريبة أو النشاط البشري الآخر تمامًا.
يمكن التقليل من التعرض للحزم بطرق أخرى. على الأرض ، يمكن التحكم في الوصول المادي (على سبيل المثال ، عن طريق السياج) ، وتوفر الطائرات النموذجية التي تحلق عبر الحزمة للمسافرين قشرة معدنية واقية (أي ، قفص فاراداي) ، والذي سيعترض أفران الميكروويف. يمكن للطائرات الأخرى (البالونات ، خفيفة الارتفاع ، إلخ) أن تتجنب التعرض من خلال مراقبة مساحات التحكم في الهواء ، كما هو الحال حالياً في المجال الجوي العسكري والمجال الجوي المتحكم فيه. سيتم تصميم شدة حزمة الموجات الميكروية عند مستوى الأرض في مركز الحزمة وبنيتها فعليًا في النظام ؛ ببساطة ، سيكون المرسل بعيدًا جدًا وصغيرًا جدًا بحيث لا يستطيع زيادة الشدة إلى مستويات غير آمنة ، حتى من حيث المبدأ.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن أحد العوائق في التصميم هو أنه لا يجب أن تكون حزمة الموجات الميكروية شديدة لدرجة تعرض الأحياء البرية ، خاصةً الطيور. لقد فشلت التجارب مع الإشعاع الميكروويف المتعمد عند مستويات معقولة لإظهار آثار سلبية حتى على مدى أجيال متعددة. تم تقديم اقتراحات لتحديد أماكن المستطيلة في الخارج ، ولكن هذا يمثل مشاكل خطيرة ، بما في ذلك التآكل ، والإجهادات الميكانيكية ، والتلوث البيولوجي.
يتمثل النهج المقترح عادةً لضمان استهداف الحزمة الآمنة من الفشل في استخدام هوائي / مصفوفة صفيف ذي مراحل متسلسلة الرجعية. تنشئ حزمة الموجات الميكروية “الدليلية” المنبعثة من مركز المستقيم على الأرض جبهة طور في هوائي الإرسال. هناك ، تقارن الدوائر الموجودة في كل من طوابق الهوائيات للهوائي طور مقدمة الطور التجريبي بمرحلة ساعة داخلية للتحكم في طور الإشارة الصادرة. هذا يفرض أن تكون الحزمة المرسلة مركزة بدقة على المستقيم وأن يكون لها درجة عالية من تماثل الطور ؛إذا فقدت الحزمة الدليلية لأي سبب من الأسباب (إذا تم تحويل هوائي الإرسال بعيداً عن المستقيم ، على سبيل المثال) ، تفشل قيمة التحكم في الطور وتكون حزمة طاقة الميكروويف غير مركزة تلقائيًا. مثل هذا النظام من شأنه أن يكون غير قادر جسديا على تركيز شعاع الطاقة في أي مكان لم يكن لديه جهاز إرسال شعاع دليلي. لم يتم بعد دراسة التأثيرات طويلة المدى لطاقة الإشعاع من خلال الأيونوسفير على هيئة الموجات الدقيقة ، ولكن لم يتم اقتراح أي شيء قد يؤدي إلى أي تأثير كبير.