مرا پایین بیاور: آیا انرژی خورشیدی از فضا می تواند به رفع نیازهای انرژی ما کمک کند؟ | علوم پایه

مندر اواخر نوامبر، نشست عالی رتبه وزرای علوم اروپا در پاریس تشکیل خواهد شد. وظیفه آنها تصمیم گیری در مورد اولویت های بعدی آژانس فضایی اروپا (ESA) است که بریتانیا هنوز عضو آن است و یکی از موارد موجود در لیست آنها پیشنهادی برای آزمایش امکان سنجی ساخت نیروگاه های برق تجاری در مدار است. . این ماهواره‌های عظیم در نور خورشید غرق می‌شوند و آن را به انرژی تبدیل می‌کنند و آن را به زمین می‌فرستند تا به شبکه برق تغذیه شود. پروژه پیشنهادی، معروف به سولاریس، تعیین می‌کند که آیا این ایده می‌تواند به امنیت انرژی آینده اروپا کمک کند یا اینکه هنوز همه چیز در آسمان است.

اگر این مطالعه به نتیجه برسد، مانند بازگشت به خانه برای صنعت فضایی خواهد بود که همیشه در خط مقدم توسعه انرژی خورشیدی بوده است. یک سال پس از پرتاب اسپوتنیک 1 توسط روس ها در سال 1957، آمریکایی ها ونگارد 1 را پرتاب کردند. این چهارمین ماهواره در مدار و اولین ماهواره ای بود که نیروی خود را با استفاده از انرژی خورشیدی تولید کرد. از آن زمان، پنل‌های خورشیدی به روش اصلی تأمین انرژی فضاپیماها تبدیل شده‌اند که به پیشبرد تحقیقات کمک کرده است. سلول های خورشیدی Vanguard 1 تنها 9 درصد از نور خورشید جذب شده را به برق تبدیل کردند. امروزه، راندمان بیش از دو برابر شده است، و همچنان در حال افزایش است، در حالی که هزینه ساخت کاهش یافته است. این یک فرمول برنده است.

Jochen Latz، یکی از شرکای مشاور مدیریت McKinsey & Company می‌گوید: «هزینه انرژی خورشیدی در 20 سال گذشته به سرعت در حال کاهش بوده است و سریع‌تر از آنچه اکثر فعالان صنعت انتظار داشتند، کاهش یافته است. به طوری که در خاورمیانه و استرالیا، انرژی خورشیدی اکنون ارزان ترین راه برای تولید برق است. به گفته لاتز، با ادامه توسعه فناوری، این امر در کشورهای عرض جغرافیایی متوسط ​​نیز صادق خواهد بود. لاتز می‌گوید: «در سال 2050، ما انتظار داریم که بیش از 40 درصد از انرژی اتحادیه اروپا از انرژی خورشیدی تأمین شود – اگر کشورها به اهداف متعهد خود برسند». این انرژی خورشیدی را به بزرگترین منبع انرژی اتحادیه اروپا تبدیل می کند.

با این حال، اگر بخواهیم به طور کامل از پانل های خورشیدی روی زمین استفاده کنیم، مشکلات آشکاری وجود دارد که نیاز به راه حل دارند. اول اینکه شب چه کار کنیم؟ در ماه مه، ند اکینز-دوکس، دانشیار دانشکده مهندسی فتوولتائیک و انرژی های تجدیدپذیر در دانشگاه نیو ساوت ولز، استرالیا، و تیم محققانش سلول خورشیدی را نشان دادند که می تواند از گسیل مادون قرمز و نه از انتشار الکتریسیته تولید کند. جذب نور خورشید این کار در شب کاملاً کار می کند زیرا زمین انرژی خورشید را به شکل گرما ذخیره می کند و سپس به عنوان تابش مادون قرمز به فضا بازتاب می کند.

دستگاه نمونه اولیه مبتنی بر همان فناوری مورد استفاده در عینک دید در شب است و در حال حاضر تنها می تواند چند میلی وات انرژی تولید کند، اما Ekins-Daukes این پتانسیل را می بیند. او می‌گوید: «این آغاز کار است – این اولین نمایش قدرت تابشی حرارتی در جهان است. در این سطوح، این امکان وجود دارد که نصب روی پشت بام چنین دستگاه هایی که احتمالاً به نوعی به عنوان یک لایه اضافی برای پانل های خورشیدی معمولی ساخته شده است، انرژی کافی برای تامین انرژی خانه را در یک شب جذب کند – یعنی نگهداری از یخچال، روتر وای فای و غیره. در حال دویدن در حالی که این صرفه جویی مختصری برای هر خانوار است که در جمعیت یک کشور چند برابر می شود، اما قابل توجه است.

یکی دیگر از مسائل واضح در مورد انرژی خورشیدی این است که برخی از روزها ابری خواهد بود. برای کاهش این مشکل، الکتریسیته اضافی تولید شده در روزهای آفتابی باید در باتری‌ها ذخیره شود، اما ظرفیت ذخیره‌سازی در حال حاضر اسفناک است. اتحادیه اروپا به 200 گیگاوات برق نیاز دارد [GW] آیدان مک‌کلین، مدیر اجرایی UFODrive، یک شرکت کرایه اتومبیل تمام برقی، می‌گوید: «تا سال 2030 ذخیره‌سازی باتری تا سال 2021 تنها 2.4 گیگاوات بود، بنابراین افزایش عظیمی مورد نیاز است.»

برای کمک به این کمبود، McClean از طرحی به نام وسیله نقلیه به شبکه (V2G) حمایت می کند که از باتری یک وسیله نقلیه الکتریکی (EV) برای ذخیره انرژی اضافی تولید شده توسط پنل های خورشیدی روی پشت بام خانه استفاده می کند و سپس آن را به خانه منتقل می کند. در شب مورد نیاز است، یا حتی آن را در دوره های دیگر با تقاضای بالا به شبکه ملی بفروشید. مک‌کلین می‌گوید: «اگر V2G به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد، ظرفیت ذخیره‌سازی مورد انتظار همه خودروهای برقی بسیار فراتر از هر نیاز ذخیره‌سازی مورد انتظاری است که شبکه در آینده به آن نیاز دارد.» آزمایش اخیر V2G در میلتون کینز، باکینگهامشایر، نشان داد که شرکت‌کنندگان با استفاده از یک سیستم شارژ «هوشمند» که باتری‌ها را در هنگام تولید برق تجدیدپذیر، پس‌انداز کرده و ردپای کربن خود را کاهش دادند.

رویکرد دیگر استفاده از انرژی خورشیدی نه برای تولید برق، بلکه برای تولید سوخت خودروهای پایدار است. ویرجیل آندری از گروه شیمی دانشگاه کمبریج و همکارانش یک “برگ مصنوعی” نازک ایجاد کرده اند که از فتوسنتز الهام گرفته است. در گیاهان، فتوسنتز در نور خورشید، آب و دی اکسید کربن (CO₂) و آنها را به اکسیژن و قند تبدیل می کند. در برگ های مصنوعی، خروجی گاز سنتزی یا گاز سنتزی است. از این مخلوط هیدروژن و مونوکسید کربن می توان برای تولید تعدادی سوخت از طریق فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده کرد. حتی امکان تولید بنزین و نفت سفید نیز وجود دارد.

ما استفاده از CO را در نظر گرفتیم₂ از جو یا سایر فرآیندهای صنعتی و ریختن آن به این نوع سیستم ها برای ایجاد سوخت سبز. به جای انتشار بیشتر CO₂ آندری می گوید که در جو، ما فقط یک اقتصاد کربن دایره ای داریم. در واقع آنها نیروگاه های جذب کربن را که در حال حاضر برای مهار CO2 مستقر شده اند، پس می زنند.₂ از فرآیندهای صنعتی، و “بازیافت” آن به سوخت های پایدار.

این تیم برای اولین بار در سال 2019 یک برگ مصنوعی ساخت، اما این یک ساختار حجیم از شیشه و فلز بود که روی یک نیمکت قرار داشت. با این حال، امسال، تیم نتایج یک ساختار برگ‌مانند کوچک‌تر را اعلام کرد که محققان بر روی رودخانه بادامک شناور کردند. برگ در داخل یک کیسه پلاستیکی شفاف با گاز پیش ساز و آب مهر و موم شد و سپس برای چند روز روی رودخانه رها شد. گروه سپس کیسه را باز کردند و آزمایش کردند که چه گازهایی از طریق فتوسنتز تولید شده است.

خود برگ های مصنوعی از موادی به نام پروسکایت تشکیل شده اند. پروسکیت کهن الگویی یک ماده معدنی طبیعی از اکسید تیتانیوم کلسیم است – همچنین به عنوان تیتانات کلسیم شناخته می شود – که در سال 1839 در کوه های اورال روسیه توسط کانی شناس آلمانی گوستاو رز کشف شد و به نام همتای روسی خود لو پروسکی نامگذاری شد. پروسکایت های مدرن می توانند ترکیبات شیمیایی مختلفی داشته باشند و برخی نشان داده اند که می توانند به عنوان سلول های خورشیدی عمل کنند.

آندری می گوید: «این مواد بسیار جدید و بسیار هیجان انگیز هستند. آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که آنها می‌توانند کارآمدتر از سیلیکون مورد استفاده در پانل‌های خورشیدی معمولی باشند. پروسکایت‌ها حتی می‌توانند جایگزین سیلیکون در پانل‌های خورشیدی آینده شوند، زیرا می‌توان آنها را راحت‌تر و در لایه‌های نازک و انعطاف‌پذیر ساخت. امتیاز دیگر این است که این مواد جریان و ولتاژ بالاتری نسبت به همتایان سیلیکونی خود تولید می‌کنند، که فرآیندهای پرانرژی‌تری مانند واکنش‌هایی که در مطالعه برگ‌های مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته‌اند را ممکن می‌سازد.

آاگرچه همه اینها امیدوارکننده است، اما یک مشکل حل نشدنی هنگام تولید انرژی خورشیدی از سطح زمین وجود دارد: جو. مولکول های جو ما تقریباً نیمی از نور خورشید را از پرتو مستقیم پراکنده می کنند. این نور پراکنده که به اطراف می‌تابد همان چیزی است که آسمان آبی را ایجاد می‌کند که ما با آن بسیار آشنا هستیم. در فضا، جو وجود ندارد، بنابراین نور خورشید رقیق نشده است. و همانطور که مهندسان هوافضا در ابتدای مسابقه فضایی دریافتند، یک پنل خورشیدی را در مدار قرار دادند تا به طور خودکار حدود دو برابر پانل معادل روی زمین انرژی تولید کند. پس جای تعجب نیست که مهندسان و رویاپردازان برای دهه ها رویای قرار دادن ماهواره های تولید کننده انرژی خورشیدی را در مدار داشتند.

اصل اساسی ساده است. ناوگانی از فضاپیماها با پانل های خورشیدی غول پیکر، نور خورشید را جمع آوری می کنند، قبل از تبدیل آن به انرژی و سپس ارسال آن انرژی به زمین. چگونه به صورت بی سیم انرژی را در فضا پخش می کنید؟ به نظر می رسد که ما چندین دهه است که این کار را انجام می دهیم. هر ماهواره مخابراتی از دهه 1960 از یک صفحه خورشیدی برای تولید الکتریسیته استفاده کرده است که سپس به سیگنال مایکروویو تبدیل شده و به زمین ارسال می شود. روی زمین، آنتن‌ها امواج مایکروویو را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و سیگنال‌ها را می‌خوانند. سانجی ویجندران از Esa، که برنامه پیشنهادی سولاریس را برای مطالعه امکان‌سنجی فضای مبتنی بر فضا هماهنگ می‌کند، می‌گوید: فیزیک درگیر در کل این زنجیره دقیقاً برای انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا یکسان است، اما مقیاس آن کاملاً متفاوت است. نیروی خورشیدی.

هر چند دهه از آغاز مسابقه فضایی، ایده انرژی خورشیدی فضایی مورد بررسی قرار گرفته است. در هر مناسبت، داستان یکسان بوده است: هزینه پرتاب چنین ماهواره‌های بزرگی گزاف است. اما در حال حاضر، همه چیز متفاوت است.

“در سال 2015، یک معجزه اتفاق می افتد. راکت قابل استفاده مجدد فالکون 9 برای اولین بار پرواز می کند. مانکینز یک متخصص در زمینه ماهواره های انرژی خورشیدی است و در طول دهه ها روی بسیاری از مطالعات امکان سنجی کار کرده است. با ظهور یک موشک واقعا قابل استفاده مجدد، هزینه ارسال تجهیزات به مدار کاهش می یابد. مانکینز به جای هزینه حدود 1000 دلاری برای پرتاب هر کیلوگرم به فضا، اکنون انتظار دارد که قیمت آن به 300 دلار در هر کیلوگرم کاهش یابد. این جام مقدس برای انرژی خورشیدی فضایی است. این فقط یک روز ممکن نیست – در پنج یا هفت سال آینده اجتناب ناپذیر است.» او می گوید.

دیگران نیز به همین ترتیب خوش بین هستند. در سپتامبر 2021، موسسه مشاوره فریزر-نش گزارشی را برای دولت بریتانیا منتشر کرد که در آن نتیجه‌گیری شد: «انرژی خورشیدی فضایی از نظر فنی امکان‌پذیر، مقرون به صرفه است و هم می‌تواند مزایای اقتصادی قابل توجهی برای بریتانیا داشته باشد و هم می‌تواند از مسیرهای صفر خالص پشتیبانی کند.» در اواخر آگوست، Esa مطالعات خود را در مورد انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا منتشر کرد که به نتیجه مشابهی برای کل اروپا رسید. در نتیجه، آژانس در ماه نوامبر از کشورهای عضوش درخواست خواهد کرد که یک مطالعه امکان سنجی سه ساله در مورد ماهواره های انرژی خورشیدی را برای بررسی دقیق اینکه آیا چنین سیستمی ممکن است از نظر تجاری قابل دوام باشد یا خیر، تامین کنند. ویجندران می گوید: «سولاریس پلی است برای بررسی اینکه آیا این واقعاً شدنی است و اینکه واقعاً قبل از درخواست میلیاردها یورو کمک خواهد کرد.

چه چنین ماهواره‌هایی به مدار بروند یا نه، نمی‌توان شک داشت که انرژی خورشیدی بر چشم‌انداز انرژی آینده تسلط خواهد داشت. و همانطور که بحران فعلی اوکراین نشان می دهد، این می تواند به امنیت انرژی بهتر و همچنین کاهش تولید کربن ما منجر شود.