الطاقة الشمسية الفضائية بين الحلم والتحدي الاقتصادي
بين تقديرات متباينة لتكلفة الطاقة الشمسية الفضائية، تعيد دول كبرى فتح الملف بعد عقود من الإهمال. هل تصبح أقمار الفضاء مصدر طاقة نظيف يغطي حاجات الأرض أم رهان مكلف ومعقد؟ اكتشف التطورات والتحديات مع وورلد برس عربي.
بين تقديرين رسميين لكلفة الكهرباء المولَّدة من الفضاء فجوةٌ تلخّص القصة كلها. الحكومة البريطانية تقدّر الكلفة الوسيطة بنحو 50 جنيهاً إسترلينياً (68 دولاراً) للميغاواط/ساعة، أي في نطاق الرياح البحرية والطاقة الشمسية الأرضية تقريباً. أمّا تقرير NASA الصادر عام 2024 فيضع خط الأساس بين 610 و1,590 دولاراً للميغاواط/ساعة. الرقمان يخصّان التقنية نفسها، والمسافة بينهما تفسّر لماذا يتحدث بعضهم عن مصدر طاقة يغطي حاجة الأرض مرّات عدة، ويراه آخرون رهاناً لم يثبت.
السؤال عملي أكثر منه نظري، فحكومات وشركات تعيد فتح ملف الطاقة الشمسية الفضائية (SBSP) بعد عقودٍ من الإهمال، وتخطط مشاريع في الصين والولايات المتحدة وبريطانيا واليابان لاختبارات إطلاق خلال السنوات الخمس المقبلة. من بين هذه المشاريع «ZhuRi» الصيني، و«OHISAMA» الياباني، وشركة Space Solar البريطانية، إضافةً إلى معهد Caltech ومختبر أبحاث القوات الجوية الأميركية (Air Force Research Laboratory). وتقوم الفكرة على أقمارٍ اصطناعية تجمع ضوء الشمس وتنقل الطاقة إلى الأرض.
يقول المتحمسون إن هذه التقنية قادرة على سدّ احتياجات الأرض من الطاقة أضعافاً مضاعفة بأقل ضرر بيئي. ويردّ المشكّكون بأنها باهظة، وتقوم على افتراضات لم تُختبر، وأعقد من أن تُنشر في موعدٍ مفيد.
من «صائدات الضوء» إلى مكتب مهندس: كيف وُلدت الفكرة؟
تحتاج الفكرة إلى إدراك حجم المورد أولاً. الشمس تطلق عبر الاندماج الهيدروجيني كل ثانية طاقةً تعادل تسعة تريليونات قنبلة ذرية. ومن هنا يقول Peter Garretson، الرئيس السابق لقسم تكنولوجيا المستقبل في سلاح الجو الأميركي والخبير في هذا المجال: «لسنا منافسين للاندماج. نحن الاندماج».
سبق الخيال العلمُ الهندسةَ بعقود. في عام 1923 اقترح الروسي Konstantin Tsiolkovsky مرايا فضائية تركّز ضوء الشمس بقوةٍ تكفي لغلي 10 أكواب من القهوة. وفي عام 1937 صوّر الكاتب البريطاني Olaf Stapledon في روايته «Star Maker» حضارةً فضائية تستخدم مصائد للطاقة الشمسية، وسمّاها «شِباك من مصائد الضوء» تحبس «الطاقة الشمسية المتسرّبة للاستخدام الذكي». وتولّى Freeman Dyson لاحقاً صياغة الفكرة نظرياً في ما عُرف بكرة دايسون (Dyson sphere). أما Isaac Asimov فنشر عام 1941 قصته القصيرة «Reason»، وفيها محطة طاقة شمسية يديرها روبوت وترسل الموجات الميكروية إلى الأرض.
التحوّل إلى الهندسة جاء عام 1968 على يد المهندس Peter Glaser، الذي عمل مستشاراً ومدير مشروع في عاكسات الليزر لقياس المسافة في مهمة أبولو 11. صمّم Glaser ما سمّاه «قمراً شمسياً للطاقة»، أي «solar power satellite»، من ثلاثة أجزاء: مجمِّع ومحوِّل ومرسِل. وكان المجمِّع الكهروضوئي سيدور على ارتفاع 22,400 ميل (36,000 كيلومتر)، في المدار الثابت بالنسبة إلى الأرض، حيث يكون ضوء الشمس «شبه دائم». ومن هناك يبثّ القمر موجاتٍ ميكروية إلى هوائيات استقبال أرضية تحوّلها إلى كهرباء تُوزَّع عبر الشبكة. وقد منحت NASA المهندس عقداً لدراسة المفهوم أكثر.
زاد الاهتمام بمقترحه مع أزمة النفط عام 1973 وحادثة مفاعل ثري مايل آيلاند النووي عام 1979. لكن دراسة وزارة الطاقة الأميركية عام 1981، وقد استغرقت أربع سنوات، أظهرت حجم الكلفة. فمساهمة «مؤثرة» بقدرة 300 جيجاواط تتطلب بحسبها 60 قمراً، يمتد كلٌّ منها على 21 ميلاً مربعاً (55 كيلومتراً مربعاً) ويزن 50,000 طن (45,000 طن متري). عُدّت الخطة غير ميسورة الكلفة، وطُويت.
عاد الملف إلى الواجهة عام 1997 حين رأى الفيزيائي John Mankins من NASA، في تقرير أعاد فيه تقييم المفهوم، أن تحسّن الخلايا الشمسية يجعل الفكرة أكثر واقعية. غير أن تقرير معهد الدراسات الاستراتيجية (Strategic Studies Institute) التابع لكلية الحرب في الجيش الأميركي عام 2015 خلص إلى أن هذه المنظومات «ممكنة تقنياً»، لكنه لم يجد «دليلاً مقنعاً على أنها ستكون منافسة اقتصادياً» للطاقة الأرضية. وأضاف أن مؤيديها ما زالوا يرون النشر على بعد نحو 10 سنوات: «الواقع أن مؤيدي هذه المنظومات يرونها دائماً على بعد 10 سنوات فقط».
ما الذي تغيّر منذ ذلك التقدير؟ الإطلاق أرخص والأقمار كذلك
يرى Garretson أن جزءاً من الجواب في جيل كامل من خبراء الفضاء. يقول: «ما لديك هو مجموعة من الأشخاص في مجتمع الفضاء نشأوا قبل Starlink وSpaceX». وهو يصف دهشتهم من منحنى الكلفة: «لم يكن بوسعهم تصديق أنه، مع ارتفاع معدل الإطلاق وتوزيع التكاليف على الرحلات، تقترب كلفة الإطلاق من كلفة الوقود».
الأرقام تدعم جزءاً من هذا الطرح. فصاروخ Falcon 9 القابل لإعادة الاستخدام من SpaceX خفّض كلفة الإطلاق إلى نحو ثلاثين ضعفاً أقل من كلفة مكوك الفضاء التابع لـNASA، ويَعِد صاروخ Starship بحمولة تتجاوز خمسة أضعاف حمولة Falcon 9. كما أصبحت الأقمار الاصطناعية أرخص بفضل الإنتاج بالجملة وتقدّم تقنيات الغرف النظيفة. ويذكّر أنصار الفكرة بأن الحواسيب الشخصية والصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام اعتُبرت يوماً باهظة إلى حدٍّ يمنع تحقيقها.
على هذه الخلفية جاء تقييم عام 2021 الذي كلّفت به بريطانيا. يقول التقييم، الذي أعدّته Frazer-Nash: «مصفوفة طاقة شمسية فضائية بقدرة 2 جيجاواط وبعرض ميل واحد ستكلّف 17.3 مليار جنيه إسترليني». أي ما يعادل 23.4 مليار دولار. وقدّر التقييم كلفة الكهرباء بنحو 50 جنيهاً (68 دولاراً) للميغاواط/ساعة على مدى عمر تشغيلي يبلغ قرناً. ووفق التقييم، تقل الكلفة الأولية بين 39% و49% عن الكتلة الحيوية والطاقة النووية والغاز عالي الكفاءة، لكنها تزيد بين 14% و52% عن كلفة الرياح والطاقة الشمسية الأرضية الحالية. وأشار إلى أن الطاقة الفضائية يمكن أن تُرسل إلى مواقع نائية. وفي عام 2023 منحت الحكومة البريطانية 4.3 مليون جنيه (5.8 مليون دولار) تمويلاً أولياً لعدد من الشركات والجامعات.
ما قد لا يظهر في العنوان هو الشرط المعلّق على الرقم البريطاني. فتقرير NASA لعام 2024 قال إن بلوغ التقدير الوسيط البريطاني يتطلب خفضاً كبيراً في كلفة الإطلاق والتصنيع في المستقبل. بمعنى آخر، يفترض الرقم الأدنى خفضاً لم يتحقق بعد.
وتتباعد الدراسات الأخرى بالقدر نفسه. إحداها قدّرت أن الطاقة الشمسية الفضائية قد تخفّض حاجة أوروبا إلى الطاقة المتجددة البرية بما يصل إلى 80%. وأخرى قدّرت أن كلفتها قد تبلغ من 12 إلى 80 ضعف البدائل الأرضية. أما دراسة نُشرت في مجلة Acta Astronautica فقدّرت أن الطاقة الفضائية قد تلبّي ما بين 3% و31% من الطلب العالمي على الكهرباء. ويتوقف هذا النطاق على السعة المدارية وحجم المستقبِلات ووجهات بثّ الطاقة.
وRemo Proietti Zaccaria، رئيس مختبر DELTA في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا وأحد المشاركين في تأليف تلك الدراسة، أكثر تحفظاً. يقول: «بالنسبة إلى الأرقام التي توصلنا إليها، لا أعتقد أن هذه التقنية يمكن فعلاً توظيفها لتوليد الطاقة للأرض». ويرى لها استخدامات محتملة في مهمات مستقبلية إلى القمر أو المريخ، ويضيف: «عندها سيكون الأمر منطقياً، لأن 3% أو 5% أو 10% قد تصنع فرقاً». ويشرح المقارنة الاقتصادية: «كلفة بناء تقنية من هذا النوع مرتفعة جداً جداً»، في حين أن «كلفة شراء لوحة شمسية وتركيبها على سطح أي مبنى أصبحت اليوم زهيدة للغاية».
هل يكفي التصميم الذكي؟ ما تقوله Space Solar
اختار التقييم البريطاني تصميم CASSIOPeiA من Space Solar قمراً مرجعياً. وهو يختلف عن مقاربتين أخريين: القمر الصيني متعدد الدوار (Multi-Rotary Joint Solar Power Satellite) الذي يدير ألواحه، وتصميم SPS-ALPHA لدى Mankins الذي يعتمد على المرايا. يتخذ CASSIOPeiA شكل سلسلة الحمض النووي، ويدور في مدار متزامن مع الشمس بدورانٍ بطيء، وتقول الشركة إن ذلك يجنّبه الأجزاء المتحركة الثقيلة أو القابلة للعطب. وتقدّر Space Solar قطره بنحو ميل واحد (1.6 كيلومتر)، وقدرته على بث ما يصل إلى 2 جيجاواط من الطاقة المستمرة إلى موقع أرضي واحد، وهو ما يكفي بحسبها لمدينة من مليوني نسمة.
وSam Adlen، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي المشارك للشركة، يقدّم حجة الكفاءة: «تستخدم مواد أقل بكثير مقارنةً بالطاقة الشمسية الأرضية، وتستفيد منها بدرجة أكبر». ويفصّل ذلك: «فهي مستغَلّة بنسبة 100% في الفضاء بدلاً من 10% على الأرض، ولديك طاقة لحظية أكبر بـ13 مرة، ولذلك تحصل على عائد أكبر بكثير من المواد».
هل يصل الشعاع فعلاً؟ عقدة النقل عبر الغلاف الجوي
الحلقة الأضعف في السلسلة قد تكون الأخيرة منها. فالطاقة المجمَّعة يجب أن تعبر عشرات الأميال من الغلاف الجوي، مع احتمال وجود غيوم. والتقنيات المقترحة للبث تعتمد إمّا على الليزر أو على الموجات الميكروية.
تراهن شركة Aetherflux الناشئة في كاليفورنيا على الليزر، وتخطط لبث الطاقة من أقمار في المدار الأرضي المنخفض. وكان مقرراً أن يُختبر نظامها بالأشعة تحت الحمراء بقمر تجريبي يُطلق في 1 أكتوبر، وينتظر أن تبلغ قدرته نحو كيلوواط واحد، أي ما يكفي لحاجات منزلية أساسية من الكهرباء. وسبق أن أظهر Caltech وشركة Overview Energy الأميركية الناشئة بثّ الطاقة من المدار ومن طائرة على التوالي، لكن الكمية المنقولة في الحالتين كانت دون كيلوواط. وتتشتت الأشعة تحت الحمراء والقريبة منها في قطرات الماء بالغلاف الجوي، فيتعثر النقل في الأيام الغائمة، وتزداد مشكلات كفاءة النقل البصري سوءاً عند مستويات الجيجاواط.
لذلك تتجه Space Solar وOHISAMA الياباني وZhuRi الصيني إلى الموجات الميكروية. فهي تنقل قدرات أعلى ويضعف توهّنها في الغلاف الجوي نسبياً. غير أن أطوالها الموجية الأطول تجعل الحزمة تنتشر على مسافات أوسع، وقد يتطلب مرسِل بعرض مئات الأمتار مستقبِلات أرضية تمتد على عشرات الأميال المربعة. ويقول Proietti Zaccaria عن البث بمستوى الجيجاواط: «سيستغرق الأمر سنوات عديدة».
وتفتح القدرة على توجيه الطاقة بابين للمخاطر. الأول سلامة البشر، فنماذج الليزر الأولية يجب أن تحسب مخاطر العمى والحروق. وتقول Aetherflux إن أنظمة أمان ستطفئ الليزر إذا عبر شيء مسار الإرسال والاستقبال. أما الثاني فعسكري، إذ يرى Proietti Zaccaria أن هذه التقنية قد تُستخدم في تعطيل الاتصالات الأرضية: «بالتأكيد في الجانب العسكري، يمكن الآن استخدام هذه التقنية بكفاءة». ويحذّر: «إذا وجّهتَ حتى هذا القدر من شدة الطاقة إلى هوائياتنا، فستجمّد الإلكترونيات، هذا مؤكد». ويضيف: «ليس من الضروري تدميرها. ما دمتَ تجمّد الإلكترونيات، فقد أنجزتَ المهمة».
مرايا بدل الأقمار: مسار أقل طموحاً
ثمة صيغة أقل طموحاً من توليد الكهرباء في الفضاء، وهي إرسال ضوء الشمس نفسه. فالمرايا الفضائية يمكنها أن تمدّ ضوء الشمس الواصل إلى الألواح الأرضية بنحو 20 دقيقة لكل عاكس. ويقول Onur Celik، الباحث في تكنولوجيا الفضاء بجامعة Glasgow: «لكن يمكنك زيادة ذلك باستخدام عاكسات متعددة». ويضيف: «إذا كان لديك 10 عاكسات أو أكثر، يمكنك ترتيبها في الفضاء بحيث تمدّ ذلك إلى ساعتين تقريباً عند ذلك الارتفاع». وبحسبه، «ضوء الشمس الذي توصله، إذا تحوّل كله إلى كهرباء، يمكن أن يشغّل آلاف المنازل».
بناء بحجم لم نبنِه من قبل: الإنشاء والتصادم والانبعاثات
تتطلب الطاقة الشمسية الفضائية إطلاق أقمار كبيرة وتجميعها، ومحاذاة الألواح مع الشمس، ثم نقل الطاقة المجمّعة إلى الأرض. ومحطة الفضاء الدولية، وهي أعقد هيكل بُني في المدار، تعطي فكرة عن حجم التحدي، لأن المشروع الجديد يقتضي نقل المواد الخام إلى الفضاء وتجميعها هناك. وصيانة المصفوفات وتجنّب التصادم في مدارات مزدحمة يحتاجان إلى تنسيق دولي.
وللإطلاق نفسه كلفة بيئية. فالصواريخ الحديثة تستخدم الميثان، وهو غاز دفيء قوي، وتطلق جزءاً كبيراً منه في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. ويطرح Matteo Ceriotti، المحاضر الأول في هندسة أنظمة الفضاء بجامعة Glasgow، سؤال إطلاق 100,000 مركبة ثقيلة جداً: «ومن الواضح أن هناك سؤالاً حول كيف سيؤثر إطلاق 100,000 من هذه المركبات الثقيلة جداً إلى الغلاف الجوي في الغلاف الجوي نفسه، مقارنةً بالفائدة التي سنجنيها خلال السنوات العشرين المقبلة تقريباً من الحصول على الطاقة الشمسية من الفضاء». ويقرّ بأن الجواب غير محسوم: «ليس واضحاً تماماً»، ثم يقول: «من الواضح أنه شيء لم نفعله من قبل».
هل تكون البداية صغيرة؟
يرى Ceriotti أن التجارب الإثباتية التي تجريها شركات صغيرة طريق مرجح لمعالجة هذه الصعوبات: «لذلك من الواضح أننا نحتاج إلى أن نبدأ من مكان ما، وأن نبدأ صغيراً». وتخطط Space Solar وReflect Orbital وAetherflux وVirtus Solis لبعثات تجريبية خلال السنوات الأربع المقبلة.
وSanjay Vijendran، مستشار الطاقة الشمسية الفضائية وقائد مشروع SOLARIS الذي أغلقته وكالة الفضاء الأوروبية بعد أن درس جدواها، يرى في القطاع الخاص ميزة هنا: «القطاع الخاص جيد في هذا لأنه مضطر إلى ذلك». ويشرح: «يمكنه أن يفكك المشكلة إلى مستوى صغير جداً، وأن يبدأ بإنجاز أشياء بتقنيات اليوم وطرائق عمل اليوم، وأن يبدأ بإظهار أن هذا يمكن أن يكون مفيداً».
الإشارة الأضعف في هذا المشهد أن التجارب المعلنة تقيس أجزاء السلسلة كلاً على حدة: الإطلاق والتوجيه والبث، وبقدرات دون الكيلوواط حتى الآن، بينما تُحسب الجدوى بالجيجاواط. وبالقراءة الاحتمالية لا بالتنبؤ، تبدو ثلاثة مسارات للسنوات المقبلة. الأرجح أن تثبت الاختبارات الصغيرة صحة بعض الحلقات التقنية دون أن تحسم سؤال الكلفة الذي يفصل بين 50 جنيهاً و1,590 دولاراً للميغاواط/ساعة. والمحتمل أن تواصل كلفة الإطلاق والتصنيع هبوطها كما يراهن المتحمسون، فتقترب الأرقام من التقدير البريطاني ويصبح للمشروع حضور في سوق الطاقة. والأقل احتمالاً أن تتحول الفكرة إلى مصدر رئيسي للكهرباء الأرضية، فيما يبقى الاستخدام الأوضح في مهمات القمر والمريخ التي أشار إليها Proietti Zaccaria. والاختبار الفاصل ليس في الاختبارات الصغيرة، بل في ما يليها: هل تتوسع بالطريقة التي يتخيلها أصحابها؟
أخبار ذات صلة
كبرى شركات النفط تطلب من المحكمة العليا إسقاط دعاوى المناخ
الثقب القطبي الجنوبي يتسّع: لماذا تتأخّر استعادة طبقة الأوزون؟
دراسة التدفئة في أيرلندا تضيف مزيداً من الأدلة ضد فخ "الهيكل أولاً"
