«نیروگاه های خورشیدی مداری (SBSP) و مهندسی انتقال انرژی بی سیم؛ چالش های شکل دهی پرتو مایکروویو در فواصل سیاره ای»

«نیروگاه های خورشیدی مداری (SBSP) و مهندسی انتقال انرژی بی سیم؛ چالش های شکل دهی پرتو مایکروویو در فواصل سیاره ای»

بشریت در یک پارادوکس انرژی گرفتار شده است: خورشید در هر ساعت انرژی کافی برای تامین نیاز یک سال کل سیاره را به سمت ما می تاباند، اما ما هنوز سوخت های فسیلی را می سوزانیم تا توربین ها را بچرخانیم. چرا؟ زیرا پنل های خورشیدی روی زمین اسیر «شب»، «ابر» و «جو» هستند. اما اگر بتوانیم نیروگاه را به جایی ببریم که خورشید هرگز غروب نمی کند، چه می شود؟
تصور کنید سازه هایی عظیم در مدار زمین ثابت (GEO) شناورند؛ جزایر فلزی درخشان که ۲۴ ساعت شبانه روز در معرض تابش مستقیم و فیلتر نشده خورشید هستند. چالش اصلی دیگر تولید برق نیست، بلکه «پایین آوردن» این انرژی بدون استفاده از سیم است. ما در مورد مهندسی پرتویی صحبت می کنیم که باید ۳۶ هزار کیلومتر فضا را طی کند و دقیقا روی یک نقطه خاص در زمین فرود بیاید، بدون اینکه پرندگان را کباب کند یا با هواپیماها تداخل داشته باشد. این رویای تسلا در مقیاس کیهانی است.

این سیستم از سه بخش اصلی تشکیل شده که هر کدام شاهکاری از مهندسی برق و فیزیک امواج هستند:
برداشت و تبدیل (در فضا):
آرایه های فتوولتائیک عظیم، نور خورشید را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کنند. اما جریان DC را نمی توان از فضا به زمین فرستاد. بنابراین، قلب تپنده این نیروگاه، «مبدل های مایکروویو» هستند. در اینجا از تقویت کننده های قدرتمند حالت جامد یا لامپ های مگنترون (شبیه آنچه در مایکروویو آشپزخانه است اما با دقتی میلیون برابر) استفاده می شود تا الکتریسیته به امواج الکترومغناطیسی (معمولا در فرکانس ۲.۴۵ یا ۵.۸ گیگاهرتز) تبدیل شود.
شکل دهی پرتو و آنتن فرستنده (Phased Array):
این حیاتی ترین بخش مهندسی است. ما نمی توانیم یک بشقاب ماهواره مکانیکی را به سمت زمین بچرخانیم؛ هر حرکت مکانیکی در فضا باعث لرزش سازه می شود. در عوض، از «آرایه های فازی» استفاده می شود. هزاران آنتن کوچک در کنار هم قرار می گیرند و یک رایانه مرکزی فاز موج خروجی هر آنتن را با تاخیرهای نانوثانیه ای کنترل می کند. با تغییر الگوی فازها، جهت پرتو اصلی به صورت الکترونیکی و بدون هیچ قطعه متحرکی تغییر می کند. این پرتو باید چنان متمرکز (Coherent) باشد که در فاصله ۳۶۰۰۰ کیلومتری، واگرایی (پخش شدن) اندکی داشته باشد.
دریافت و یکسوسازی (روی زمین):
در مقصد، ما با یک مزرعه عجیب روبرو هستیم: «رکتنا» (Rectenna) یا آنتن های یکسوساز. این ها توری های فلزی بزرگی هستند که امواج مایکروویو را دریافت کرده و بلافاصله با استفاده از دیودهای شاتکی فوق سریع، آن ها را دوباره به جریان مستقیم (DC) برای تزریق به شبکه برق تبدیل می کنند. برخلاف پنل های خورشیدی، رکتناها شفاف هستند (نور خورشید و باران از آن ها عبور می کند) و می توان زیر آن ها کشاورزی کرد.

چرا هنوز انرژی خانه هایمان از فضا نمی آید؟ موانع فیزیکی و حرارتی بزرگی وجود دارد:
مدیریت حرارتی در خلاء:
تبدیل برق به مایکروویو و برعکس، بازدهی ۱۰۰٪ ندارد. حتی اگر سیستم ۹۰٪ بازدهی داشته باشد، ۱۰٪ اتلاف در یک نیروگاه ۲ گیگاواتی یعنی ۲۰۰ مگاوات گرما (معادل گرمای موتورهای یک ناو هواپیمابر). در خلاء فضا که هوا برای خنک کاری وجود ندارد، دفع این گرما تنها از طریق تابش (Radiation) ممکن است. این یعنی نیروگاه های فضایی نیاز به رادیاتورهای غول پیکر و سنگین دارند که هزینه پرتاب را سرسام آور می کند.
پراش و ابعاد فیزیکی:
فیزیک امواج بی رحم است. طبق «حد پراش»، هرچه فرکانس پایین تر باشد، پرتو در مسافت طولانی بیشتر پخش می شود. برای اینکه پرتو مایکروویو از مدار GEO روی زمین متمرکز بماند، فرستنده در فضا باید قطری حدود ۱ کیلومتر و گیرنده روی زمین قطری حدود ۱۰ کیلومتر داشته باشد! ساخت سازه ای یک کیلومتری در فضا، چالشی است که هنوز در مرحله ابتدایی مهندسی سازه فضایی هستیم.
تداخل یونسفری:
پرتوی پرقدرت انرژی هنگام عبور از لایه های یونوسفر جو زمین، می تواند پلاسما را گرم کرده و اغتشاشاتی ایجاد کند که نه تنها خود پرتو را منحرف می کند (Thermal Blooming)، بلکه می تواند سیستم های مخابراتی و GPS جهانی را مختل نماید.

ما در آستانه عصر «انتقال انرژی بی سیم دوربرد» هستیم. با کاهش شدید هزینه های پرتاب فضایی (به لطف موشک های قابل استفاده مجدد)، ساخت سازه های کیلومتری در فضا از تخیل به نقشه مهندسی تبدیل شده است.
آینده این فناوری احتمالا به سمت استفاده از لیزرها به جای مایکروویو حرکت خواهد کرد. لیزرها طول موج بسیار کوتاه تری دارند، بنابراین فرستنده و گیرنده می توانند بسیار کوچک تر باشند. اگرچه لیزرها با مشکل جذب توسط ابرها مواجه اند، اما شبکه ای از ماهواره ها می تواند همیشه مسیری بدون ابر را پیدا کند. روزی خواهد رسید که شبکه برق، دیگر مجموعه ای از دکل ها و کابل های مسی روی زمین نیست، بلکه شبکه ای نامرئی از پرتوهاست که انرژی پاک را از مدار زمین به هر نقطه ای، از کلان شهرها تا پایگاه های دورافتاده قطبی، می تاباند.