אנרגיה סולארית מהחלל
אנרגיה סולארית מהחלל (בראשי תיבות SBSP) הוא רעיון להציב פאנלים לייצור חשמל בחלל ולהעביר את האנרגיה המיוצרת לשימוש על פני כדור הארץ.
שימוש באנרגיה סולארית כדי להפעיל את מערכות החשמל של החלליות מנוצלת באופן רחב. לרוב משתמשים בפאנלים סולאריים פוטו-וולטאיים להפקת חשמל מאור השמש.
היסטוריה
בשנת 1941 פרסם סופר המדע הבדיוני אייזק אסימוב את הסיפור הקצר של המדע הבדיוני "הגיון", בו תחנת חלל מעבירה אנרגיה שנאספה מהשמש לכוכבי לכת שונים באמצעות קרינת מיקרוגל. מושג ה-SBSP, הידוע במקור בשם מערכת אנרגיה סולארית לוויינית (SSPS), תואר לראשונה בנובמבר 1968. בשנת 1973 קיבל פיטר גלזר פטנט אמריקני מספר 3,781,647 עבור שיטת העברת הכוח שלו למרחקים ארוכים (למשל, ממשטח מקומי אל פני כדור הארץ) באמצעות מיקרו-גלים מאנטנה גדולה מאוד (עד קילומטר רבוע) בלוויין לאחד גדול בהרבה, שכונה כיום rectenna, על האדמה.
גלזר היה אז סגן נשיא בארתור ד. ליטל בע"מ (ADL). נאס"א חתמה על חוזה עם ADL כדי להוביל ארבע חברות נוספות במחקר רחב יותר בשנת 1974. הם גילו כי אף על פי שיש לרעיון כמה בעיות מרכזיות - בעיקר ההוצאות הכרוכות בשיגור הציוד למסלול וחוסר ניסיון בפרויקטים בסדר גודל זה בחלל - הוא היה מספיק מבטיח לזכות בחקירה ומחקר נוסף.
בין 1978 ל-1986 אישר הקונגרס של ארצות הברית למחלקת האנרגיה של ארצות הברית (DoE) ולנאס"א לחקור במשותף את הרעיון. הם ארגנו את תוכנית פיתוח והערכה של מערכת הכוח הלוויינית. המחקר הוא עדיין הנרחב ביותר שנערך עד כה (בתקציב של 50 מיליון דולר). פורסמו מספר דוחות הבוחנים את היתכנותו ההנדסית של פרויקט הנדסי כזה.
יתרונות וחסרונות
יתרונות
לתפיסת SBSP (אנרגיה סולארית מהחלל) יש כמה יתרונות עיקריים לעומת הצבת פאנלים לייצור חשמל על פני כדור הארץ:
- עוצמת שמש קבועה יחסית וחזקה
- העדר חסימות כמו גזים אטמוספיריים, עננים, אבק ואירועי מזג אוויר אחרים. כתוצאה מכך, העוצמה במסלול היא כ-144% מהעוצמה המרבית הניתנת להשגה על פני כדור הארץ.
- לוויין יכול להיות מואר לאורך 99% מהזמן, ולהיות בצלו של כדור הארץ לכל היותר 72 דקות בלבד ללילה בנקודת השוויון של האביב והסתיו בחצות הלילה המקומי. לוויינים מקיפים יכולים להיחשף לרמה גבוהה באופן עקבי של קרינת שמש, לרוב למשך 24 שעות ביממה, ואילו לוחות סולאריים על פני כדור הארץ אוספים כיום חשמל בממוצע של 29% מהיום.
- ניתן להפנות במהירות יחסית את הכוח ישירות לאזורים הזקוקים לו ביותר. לוויין איסוף יכול לכוון את הכוח לפי דרישה למיקומי שטח שונים על בסיס עומסים בסיסיים גאוגרפיים או צריכת עומס שיא.
- אין הפרעות של צמחים וחיות בר.
- עם יישומים בקנה מידה גדול מאוד, במיוחד בגבהים נמוכים יותר, זה עשוי להפחית את קרינת השמש הנכנסת המגיעה אל פני כדור הארץ. דבר רצוי כנגד ההשפעות של ההתחממות הגלובלית.
חסרונות
לתפיסת SBSP יש גם מספר בעיות:
- העלות הגדולה של שיגור לוויין לחלל. עבור 6.5 קג"מ / קילוואט, העלות להצבת לוויין חשמל במסלול גאוסטציונרי אינה יכולה לעלות על 200 $ / ק"ג אם עלות ההספק אמורה להיות תחרותית.
- אופטיקה למיקרוגל דורשת סולם GW עקב התפשטות קרן דיסק אוורירית. בדרך כלל דיסק משדר של 1 ק"מ במהירות של 2.45 ג'יגה הרץ מתפשט ל-10 ק"מ במרחק כדור הארץ.
- חוסר יכולת להגביל את העברת הכוח בזוויות קרניים קטנטנות. לדוגמה, קרן של 0.002 מעלות (7.2 שניות קשת) נדרשת להישאר בטווח של קילומטר אחד שמקבל יעד אנטנה מגובה מסלול גאוסטציונרי. מערכות העברת הכוח האלחוטיות הכי כיווניות המתקדמות ביותר החל משנת 2019 פזרו את חצי רוחב קרן הכוח שלהן על פני לפחות 0.9 מעלות קשת.
- אי נגישות: תחזוקת פאנל סולארי על בסיס כדור הארץ היא פשוטה יחסית, אך בנייה ותחזוקה של לוחות סולאריים בחלל בדרך כלל תיעשה טלרובוטי. בנוסף לעלות, אסטרונאוטים העובדים במסלול גאוסטציונרי (מסלול כדור הארץ גיאוסינכרוני(geosynchronous)) חשופים לסכנות קרינה גבוהות שאינן מתקבלות על הדעת, ועלותן כאלף פעמים יותר מאותה משימה שנעשתה טלרובוטית.
- סביבת החלל עוינת; לוחות PV (אם משתמשים בהם) סובלים פי 8 מבלאי בהשוואה לאם הם היו על כדור הארץ (למעט במסלולי מסלול המוגנים על ידי המגנטוספרה (magnetosphere)).
- פסולת חלל מהווה סכנה משמעותית לחפצים גדולים בחלל, במיוחד למבנים גדולים כמו מערכות SBSP העוברים דרך הפסולת שמתחת ל-2000 ק"מ. הסיכון להתנגשות מצטמצם הרבה במסלול גאוסטציונרי מכיוון שכל הלוויינים נעים לאותו כיוון קרוב מאוד לאותה מהירות.
- תדר השידור של קישור הקישור למיקרוגל (אם נעשה בו שימוש) ידרוש בידוד מערכות ה-SBSP הרחק מלוויינים אחרים. שטח המסלול הגאוסטציונרי כבר מנוצל היטב וזה נחשב לא סביר שאיגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי יאפשר השקת SPS.
- ממדים והעלות המקבילה של תחנת הקבלה בשטח. העלות הוערכה במיליארד דולר עבור 5 ג'יגה-וואט על ידי חוקר SBSP, קית ג'הנסון.
- הפסדי אנרגיה במהלך מספר שלבי המרה מפוטונים לאלקטרונים לפוטונים חזרה לאלקטרונים.
- קשה מלכתחילה לסילוק חום במערכות כוח בחלל, אך הופך לבלתי נוח כאשר החללית כולה נועדה לקלוט כמה שיותר קרינת שמש. מערכות בקרה תרמית חללית מסורתיות כמו מקרינים עלולות להפריע לפאנלים סולאריים או משדרי כוח.
ההשפעות של קרינת והפחתות הקרינה
החלל מכיל רמות משתנות של קרינה אלקטרומגנטית כמו גם קרינה מייננת. חלקיקים אנרגטיים סולריים וקרניים קוסמיות גלקטיות הם שני מקורות הקרינה המעניינים אותנו. חגורות ואן אלן מכילות בעיקר פרוטונים ואלקטרונים ואילו ה-GCR מכיל נוקלאונים מיוננים שנעים בין הליום לאורניום. לוחות סולאריים יחוו בלאי של יעילות לאורך זמן כתוצאה משני סוגי הקרינה. כיסוי הפאנל בזכוכית בורוסיליקט עשויה לגרום לאובדן יעילות של 5-10% לשנה. חיפוי זכוכית אחר, כגון סיליקה התמזגה וכוסות עופרת, עשוי להפחית את אובדן היעילות לפחות מ־1% לשנה. קצב הבלאי הוא פונקציה של ספקטרום השטף ההפרש והמינון המיינן הכולל.
קישורים חיצוניים
- The solar discs that could power Earth - מאתר ה-BBC
- אנרגיה סולארית מהחלל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
35302895אנרגיה סולארית מהחלל