แนวคิดในการจับแสงอาทิตย์ในอวกาศและส่งมายังโลกถือเป็นเรื่องในนิยายวิทยาศาสตร์มานานแล้ว แต่เป็น. จอน คาร์ทไรท์ พบว่ารัฐบาลทั่วโลกกำลังให้ความสำคัญกับ "พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ" อย่างจริงจังเพื่อเป็นทางออกสำหรับความต้องการพลังงานของเรา
ฟรีแมน ไดสัน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเคยจินตนาการถึงอารยธรรมของมนุษย์ต่างดาวที่ก้าวหน้ามากจนได้ล้อมรอบดาวฤกษ์แม่ด้วยเปลือกเทียมขนาดยักษ์ พื้นผิวด้านในของสิ่งนี้ “ไดสันสเฟียร์” จะจับรังสีดวงอาทิตย์และถ่ายโอนไปยังจุดรวบรวมซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้ แนวคิดดังกล่าวยังคงเป็นนิยายวิทยาศาสตร์ แต่หลักการที่คล้ายกันนี้สามารถนำไปใช้ในระดับที่เล็กกว่ามากเพื่อควบคุมพลังของดวงอาทิตย์ของเราเองได้หรือไม่
ท้ายที่สุด นอกเหนือจากเมฆแล้ว ในแสงเปลวเพลิงยามค่ำคืนของอวกาศใกล้โลก ยังมีพลังงานแสงอาทิตย์ที่ต่อเนื่องมากกว่าที่มนุษยชาติจะต้องใช้ตามความเป็นจริงมานานหลายศตวรรษต่อจากนี้ นั่นเป็นสาเหตุที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรกลุ่มหนึ่งคิดค้นเทคนิคในการจับพลังงานนี้ในอวกาศและส่งพลังงานกลับคืนสู่พื้นดินมานานกว่า 50 ปีแล้ว
ตามที่ทราบกันว่า “พลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศ” มีประโยชน์อย่างมากสองประการเหนือวิธีการดั้งเดิมในการเข้าถึงดวงอาทิตย์และลม ประการแรก การวางดาวเทียมจับแสงแดดในอวกาศหมายความว่าเราไม่จำเป็นต้องครอบคลุมพื้นที่อันกว้างใหญ่บนโลกด้วยแผงโซลาร์เซลล์และฟาร์มกังหันลม ประการที่สอง เราจะมีพลังงานเพียงพอ แม้ว่าสภาพอากาศในท้องถิ่นจะมีเมฆมากหรือลมพัดเบาบางก็ตาม
และนั่นคือปัญหาเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมบนโลก พวกมันไม่สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานของเราได้อย่างสม่ำเสมอ แม้ว่าจะมีการขยายตัวอย่างมากก็ตาม นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอตติงแฮมประมาณเมื่อปีที่แล้วว่า หากสหราชอาณาจักรต้องพึ่งพาแหล่งพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้โดยสิ้นเชิง ประเทศจะต้องกักเก็บพลังงานได้มากกว่า 65 เทราวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งจะมีค่าใช้จ่ายมากกว่า 170 พันล้านปอนด์ มากกว่าสองเท่าของเครือข่ายรถไฟความเร็วสูงของประเทศที่กำลังจะมีขึ้นเร็วๆ นี้ (พลังงาน 14 8524).
ความพยายามส่วนใหญ่ในการตระหนักถึงพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศนั้น โชคไม่ดีที่ต้องเผชิญกับปัญหาทางเทคนิคและเศรษฐกิจที่ดูเหมือนจะยากลำบาก แต่เวลากำลังเปลี่ยนแปลง การออกแบบดาวเทียมที่เป็นนวัตกรรมใหม่ รวมถึงต้นทุนการปล่อยที่ต่ำกว่ามาก ทำให้พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศดูเหมือนเป็นวิธีแก้ปัญหาที่สมจริง ประเทศญี่ปุ่น ได้เขียนเป็นกฎหมายให้เป็นเป้าหมายระดับชาติในขณะที่ องค์การอวกาศยุโรป ได้ออกมาเรียกร้องความคิด สาธารณรัฐประชาชนจีน และ สหรัฐอเมริกา เป็นทั้งอาคารทดสอบสิ่งอำนวยความสะดวก
ในขณะเดียวกัน คำปรึกษาที่เผยแพร่โดยรัฐบาลสหราชอาณาจักรในปี 2021 สรุปว่าพลังงานแสงอาทิตย์ตามพื้นที่นั้นมีความเป็นไปได้ในทางเทคนิคและเชิงเศรษฐกิจ น่าประหลาดใจที่โซลูชั่นทางเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปปฏิบัติได้ 10 ปีก่อนเป้าหมาย "สุทธิเป็นศูนย์" ในปี 2050 ของคณะกรรมการระหว่างรัฐบาลว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ พลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศเป็นคำตอบสำหรับสภาพอากาศของเราหรือไม่? และถ้าเป็นเช่นนั้น อะไรขัดขวางไม่ให้สิ่งนี้กลายเป็นความจริง?
ความฝันในอวกาศ
แนวคิดดั้งเดิมของพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศเกิดขึ้นในปี 1968 โดย Peter Glaser วิศวกรชาวอเมริกันของบริษัทที่ปรึกษา Arthur D Little เขาจินตนาการถึงการวางดาวเทียมรูปจานขนาดใหญ่ในวงโคจรค้างฟ้าที่ระดับความสูงประมาณ 36,000 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก (วิทยาศาสตร์ 162 857). ดาวเทียมดวงนี้ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 กม. จะถูกสร้างขึ้นจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อรวบรวมแสงอาทิตย์และแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นไมโครเวฟโดยใช้เครื่องขยายหลอดและลำแสงมายังโลกผ่านเครื่องส่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 กม.
มันเป็นพลังงานทดแทนสีเขียวรูปแบบเดียวที่มีศักยภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าพื้นฐานอย่างต่อเนื่อง
คริส โรเดนเบ็ค ห้องทดลองวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ
ความงดงามของไมโครเวฟก็คือ พวกมันไม่ถูกเมฆบนโลกดูดกลืน ดังนั้นมันจึงสามารถผ่านชั้นบรรยากาศของเราไปเป็นส่วนใหญ่ (แม้ว่าจะไม่ทั้งหมด) ก็ได้ กลาเซอร์จินตนาการว่าพวกมันจะถูกรวบรวมด้วยเสาอากาศคงที่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 กม. ซึ่งพวกมันจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าสำหรับโครงข่าย “แม้ว่าการใช้ดาวเทียมในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์อาจต้องใช้เวลาหลายทศวรรษ” เขาเขียน “มีความเป็นไปได้ที่จะสำรวจหลายแง่มุมของเทคโนโลยีที่จำเป็นเพื่อเป็นแนวทางในการพัฒนาในอนาคต”
ปฏิกิริยาแรกเริ่มเป็นบวกในบางไตรมาส โดย NASA มอบสัญญาจ้างบริษัท Arthur D Little ให้กับบริษัทของ Glaser สำหรับการศึกษาต่อไป อย่างไรก็ตาม ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ข้อสรุปของการศึกษาต่อมาเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมีตั้งแต่เชิงบวกอย่างระมัดระวังไปจนถึงเชิงลบภายนอก
1 ข้อต่อหลายโรตารีดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ (MR-SPS)
แนวคิดสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศนี้สร้างขึ้นจากข้อเสนอดั้งเดิมในปี 1968 ที่คิดค้นโดยวิศวกรชาวสหรัฐฯ ปีเตอร์ กลาเซอร์ ดาวเทียมดวงนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite (MR-SPS) ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 2015 โดยโหว ซินปิน และคนอื่นๆ จากสถาบันเทคโนโลยีอวกาศจีนในกรุงปักกิ่ง ดาวเทียมน้ำหนัก 10,000 ตัน ซึ่งมีความกว้างประมาณ 12 กิโลเมตร จะเคลื่อนที่ในวงโคจรค้างฟ้าที่ระดับความสูงประมาณ 36,000 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก โดยแสงอาทิตย์จะถูกรวบรวมโดยแผงโซลาร์เซลล์ และแปลงเป็นไมโครเวฟที่ส่งลำแสงมายังโลกโดยเครื่องส่งสัญญาณส่วนกลาง เพื่อให้พลังงานสามารถส่งถึงเราอย่างต่อเนื่อง แผงเซลล์แสงอาทิตย์สามารถหันเข้าหาดวงอาทิตย์โดยสัมพันธ์กับเครื่องส่งสัญญาณส่วนกลางซึ่งหันหน้าไปทางโลกเสมอ แผงโซลาร์เซลล์และเครื่องส่งสัญญาณเชื่อมต่อกันด้วยโครงสี่เหลี่ยมอันเดียว แตกต่างจากการออกแบบของคู่แข่ง แนวคิด MR-SPS ไม่ต้องพึ่งกระจก
ตัวอย่างเช่น ในปี 2015 เทคโนโลยีดังกล่าวได้รับคำตัดสินที่ค่อนข้างอุ่นใจ ในรายงานจากสถาบันศึกษายุทธศาสตร์ (SSI) ของวิทยาลัยการทัพบกสหรัฐฯซึ่งอ้างถึง "ไม่มีหลักฐานที่น่าสนใจ" ว่าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศสามารถแข่งขันในเชิงเศรษฐกิจกับการผลิตไฟฟ้าภาคพื้นดินได้ SSI วิพากษ์วิจารณ์เป็นพิเศษถึง "สมมติฐานที่น่าสงสัย" ของผู้เสนอเกี่ยวกับการนำโครงสร้างวงโคจรขนาดใหญ่ดังกล่าวขึ้นสู่อวกาศ พูดง่ายๆ ก็คือ รายงานระบุว่ามียานยิงไม่เพียงพอ และรถที่มีอยู่ก็แพงเกินไป
แต่คำตัดสินที่ไม่ค่อยดีนักของ SSI เกิดขึ้นต่อหน้าบริษัทเอกชน โดยเฉพาะ ปา – เริ่มเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมอวกาศ ด้วยการรวมระบบจรวดที่นำกลับมาใช้ใหม่เข้ากับทัศนคติแบบลองผิดลองถูกในการวิจัยและพัฒนา ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา บริษัทสหรัฐฯ ได้ลดต้นทุนในการปล่อยสู่วงโคจรใกล้โลกลงมากกว่า 10 เท่า (ต่อน้ำหนักบรรทุกหนึ่งกิโลกรัม) ) โดยมีแผนจะลดขนาดลงอีกตามลำดับความสำคัญ สิ่งที่ SSI พิจารณาว่าเป็นข้อจำกัดสำคัญเกี่ยวกับค่าใช้จ่ายในการเปิดตัว จริงๆ แล้วไม่ใช่ปัญหาอีกต่อไป
ไม่ใช่ว่าค่าใช้จ่ายในการนำดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศเป็นเพียงประเด็นเดียวเท่านั้น แนวคิดดั้งเดิมของ Glaser นั้นเรียบง่ายอย่างหลอกลวง พร้อมด้วยความท้าทายที่ซ่อนอยู่มากมาย ประการแรก เมื่อดาวเทียมโคจรรอบโลก มุมระหว่างดวงอาทิตย์ ยานอวกาศ และจุดบนโลกที่พลังงานถูกส่งไปจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น ถ้าดาวเทียมค้างฟ้าถูกฝึกบนโลก พลังงานแสงอาทิตย์ของมันจะหันหน้าไปทางดวงอาทิตย์ในตอนเที่ยง แต่จะหันหลังให้กับดวงอาทิตย์ในเวลาเที่ยงคืน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดาวเทียมจะไม่ผลิตไฟฟ้าตลอดเวลา
วิธีแก้ปัญหาเดิมสำหรับปัญหานี้คือการหมุนแผงเซลล์แสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องโดยสัมพันธ์กับเครื่องส่งสัญญาณไมโครเวฟ ซึ่งจะคงที่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะชี้ไปที่ดวงอาทิตย์เสมอ ในขณะที่เครื่องส่งสัญญาณจะหันหน้าไปทางโลกเสมอ นาซ่าเสนอครั้งแรกในปี พ.ศ. 1979 โดยเป็นการพัฒนาแนวความคิดของกลาเซอร์ โซลูชันดังกล่าวได้รับการขยายเพิ่มเติมในข้อเสนอปี พ.ศ. 2015 โดยวิศวกรที่สถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งประเทศจีนในกรุงปักกิ่ง ซึ่งขนานนามว่าเป็นดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์แบบข้อต่อโรตารีหลายตัว หรือ MR-SPS (รูปที่ 1).
ในขณะเดียวกัน จอห์น แมนกินส์ซึ่งเป็นอดีตวิศวกรของ NASA ได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหาของคู่แข่งในปี 2012 ขนานนามว่า เอสพีเอส อัลฟ่าแนวคิดของเขาคือการรักษาแผงโซลาร์เซลล์และเครื่องส่งสัญญาณให้คงที่ แต่ติดตั้งกระจกจำนวนมากรอบๆ แผง (รูปที่ 2) กระจกเหล่านี้เป็นที่รู้จักในชื่อเฮลิโอสแตต โดยสามารถหมุนได้ โดยเปลี่ยนเส้นทางแสงแดดไปยังแผงโซลาร์เซลล์อย่างต่อเนื่อง และด้วยเหตุนี้จึงทำให้ดาวเทียมสามารถจ่ายพลังงานให้กับโลกได้โดยไม่หยุดชะงัก
2 SPS-อัลฟ่า
ในแนวคิด SPS-Alpha ซึ่งคิดค้นโดย John Mankins อดีตวิศวกรของ NASA ในสหรัฐอเมริกา โครงสร้างหลักของดาวเทียม ได้แก่ แผงโซลาร์เซลล์และเครื่องส่งสัญญาณ ได้รับการยึดอยู่กับที่และหันหน้าเข้าหาโลกตลอดเวลา ดาวเทียมขนาด 8000 ตันซึ่งประจำการอยู่ในวงโคจรค้างฟ้านี้ประกอบด้วยโมดูลรูปทรงดิสก์ที่แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าผ่านเซลล์แสงอาทิตย์ แล้วส่งพลังงานนั้นเป็นไมโครเวฟ การเชื่อมต่อกับอาร์เรย์เส้นผ่านศูนย์กลาง 1700 ม. นี้เป็นอาร์เรย์กระจกรูปทรงโดมที่แยกจากกัน มีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งจะหมุนอย่างอิสระเพื่อสะท้อนแสงไปยังอาร์เรย์ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ดวงอาทิตย์อยู่ในตำแหน่งสัมพันธ์กับโลกในวงโคจรค้างฟ้า
อย่างไรก็ตาม ทั้ง MR-SPS และ SPS Alpha ไม่เป็นที่น่าพอใจ เอียน แคชผู้อำนวยการและหัวหน้าวิศวกรของ บริษัท อินเตอร์เนชั่นแนล อิเล็คทริค จำกัด ในเมืองอ็อกซ์ฟอร์ดเชียร์ สหราชอาณาจักร Cash อดีตผู้ออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ในภาคยานยนต์ การบินและอวกาศ และพลังงาน หันมาสนใจการพัฒนาแหล่งพลังงานสะอาดขนาดใหญ่เมื่อสิบปีก่อนโดยเอกชน ในตอนแรกเขาถูกล่อลวงด้วยศักยภาพของนิวเคลียร์ฟิวชัน เขาถูกเลื่อนออกไปด้วยปัญหาที่ "ยากจริงๆ" ของมัน และหันมาใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอย่างรวดเร็วเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงที่สุด
สำหรับเงินสด ปัญหาของทั้ง MR-SPS และ SPS Alpha คือต้องหมุนบางส่วนของดาวเทียมโดยสัมพันธ์กับส่วนอื่น ทุกส่วนจึงต้องเชื่อมต่อกันทางกายภาพและต้องมีข้อต่อที่เคลื่อนไหวได้ ปัญหาคือเมื่อใช้กับดาวเทียมเช่นสถานีอวกาศนานาชาติ ข้อต่อดังกล่าวอาจเสียหายเนื่องจากการสึกหรอ การละเว้นข้อต่อแบบประกบจะทำให้ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์มีความน่าเชื่อถือมากขึ้น Cash สรุป “ผมอยากทราบว่าต้องทำอย่างไรจึงจะมีโซลูชันโซลิดสเตตที่มองเห็นดวงอาทิตย์และโลกได้ตลอดเวลา” เขากล่าว
ภายในปี 2017 แคชได้คิดออกแล้วหรืออย่างที่เขาอ้างว่า ของเขา แนวคิดของแคสซิโอเปีย เป็นดาวเทียมที่มีลักษณะคล้ายบันไดวน โดยมีแผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็น "ดอกยาง" และตัวส่งสัญญาณไมโครเวฟ - ไดโพลรูปแท่ง - เป็น "ตัวยก" รูปทรงขดลวดอันชาญฉลาดทำให้ CASSIOPeiA สามารถรับและส่งพลังงานแสงอาทิตย์ได้ตลอด 24 ชั่วโมง โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว (รูปที่ 3)
เงินสดซึ่งตั้งใจที่จะทำกำไรจาก CASSIOPeiA โดยการอนุญาตให้ใช้สิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาที่เกี่ยวข้อง อ้างผลประโยชน์อื่นๆ อีกมากมายต่อแนวคิดของเขา ดาวเทียมที่เขาเสนอสามารถสร้างขึ้นจากโมดูลขนาดเล็กหลายร้อย (และอาจเป็นหลายพัน) ที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกัน โดยแต่ละโมดูลจะจับพลังงานแสงอาทิตย์ แล้วแปลงเป็นไมโครเวฟทางอิเล็กทรอนิกส์แล้วส่งไปยังโลก ข้อดีของแนวทางนี้คือ ถ้าโมดูลใดโมดูลหนึ่งโดนรังสีคอสมิกหรือเศษอวกาศ ความล้มเหลวก็จะไม่ทำให้ทั้งระบบเสียหาย
ข้อดีอีกประการของ CASSIOPeiA ก็คือส่วนประกอบที่ไม่ใช่ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะอยู่ในเงาอย่างถาวร ซึ่งช่วยลดการกระจายความร้อน ซึ่งเป็นปัญหาในสุญญากาศที่ไม่มีการพาความร้อนของอวกาศ ในที่สุด เนื่องจากดาวเทียมมีทิศทางไปทางดวงอาทิตย์อยู่เสมอ จึงสามารถครอบครองวงโคจรประเภทต่างๆ ได้มากขึ้น รวมถึงวงโคจรที่มีวงรีสูงด้วย ในบางครั้ง มันจะอยู่ใกล้โลกมากกว่าที่มันเป็นเครื่องค้างฟ้า ซึ่งทำให้ราคาถูกลง เนื่องจากคุณไม่จำเป็นต้องปรับขนาดการออกแบบบนพื้นฐานของเครื่องส่งสัญญาณขนาดใหญ่เช่นนี้
3 แคสซิโอเปีย
a ข้อเสนอ CASSIOPeiA สำหรับพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศ ซึ่งพัฒนาโดย Ian Cash จากบริษัท International Electric Company Limited ในสหราชอาณาจักร มองเห็นดาวเทียมที่มีมวลมากถึง 2000 ตันในวงโคจรภูมิศาสตร์ซิงโครนัสหรือวงรีรอบโลก b แสงอาทิตย์ส่องกระทบกระจกทรงรีขนาดใหญ่ 1700 ดวง (จานสีเหลือง) แต่ละดวงมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงถึง 45 เมตร ซึ่งทำมุม 60,000° กับแผงโซลาร์เซลล์จำนวน 5 ดวง (สีเทา) แผงเหล่านี้รวบรวมแสงแดดและแปลงเป็นไมโครเวฟที่ความถี่เฉพาะ ซึ่งจากนั้นจะถูกส่งไปยังสถานีภาคพื้นดินบนโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ XNUMX กม. สถานีนี้จะแปลงไมโครเวฟให้เป็นไฟฟ้าสำหรับโครงข่าย ข้อดีของเรขาคณิตแบบขดลวดก็คือ ไมโครเวฟสามารถมุ่งตรงไปยังโลกได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่จำเป็นต้องใช้ข้อต่อแบบประกบ ซึ่งมักจะล้มเหลวในสภาพแวดล้อมในอวกาศ c ไมโครเวฟจะถูกควบคุมโดยการปรับเฟสสัมพัทธ์ของไดโพลโซลิดสเตตแทน
อาจไม่น่าแปลกใจเลยที่คู่แข่งของ Cash ไม่เห็นด้วยกับการประเมินของเขา Mankins ซึ่งปัจจุบันประจำอยู่ที่ โซลูชั่นการจัดการนวัตกรรมของอาร์ทิมิส ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา มีการโต้แย้งว่าเฮลิโอสแตตแบบก้องในแนวคิด SPS-Alpha ของเขาเป็นปัญหา แต่เขาอ้างว่าสิ่งเหล่านี้เป็น "ส่วนขยายที่เรียบง่ายของเทคโนโลยี [a] ที่เป็นผู้ใหญ่มาก" ซึ่งใช้ในการรวมแสงอาทิตย์เข้ากับของเหลวร้อนและขับเคลื่อนกังหันใน “หอคอยแสงอาทิตย์” ที่นี่บนโลก นอกจากนี้เขายังเชื่อด้วยว่ากระจกคู่ที่ CASSIOPeiA ต้องการอาจเป็นปัญหาได้เนื่องจากต้องถูกสร้างขึ้นอย่างแม่นยำมาก
“ฉันให้ความสำคัญกับเอียนและงานของเขาเป็นอย่างมาก แนวคิด CASSIOPeiA ล่าสุดของเขาเป็นหนึ่งในหลายๆ แนวคิดที่มีลักษณะคล้ายกันมาก รวมถึง SPS-Alpha ด้วย” แมนกินส์กล่าว “อย่างไรก็ตาม ฉันไม่เห็นด้วยกับความคาดหวังของเขาที่ว่า CASSIOPeiA จะพิสูจน์ได้ว่าเหนือกว่า SPS-Alpha” สำหรับ Mankins แนวทางที่ดีที่สุดในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศจะขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของโครงการพัฒนา โดยต้นทุนจริงต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมงของไฟฟ้าบนโลกเป็นปัจจัยสำคัญ
ปรับขนาดได้และโดดเด่น
ความสนใจในพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศได้รับการส่งเสริมเพิ่มขึ้นหลังจากการตื่นตัวของ รายงานของรัฐบาลสหราชอาณาจักรประจำปี 2021 เข้าสู่เทคโนโลยี ซึ่งแทบไม่อาจส่งผลดีต่อแนวคิดนี้มากนัก จัดทำขึ้นโดยวิศวกรจากบริษัทที่ปรึกษาในสหราชอาณาจักร เฟรเซอร์แนชซึ่งติดต่อกับผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมอวกาศและพลังงานจำนวนหนึ่ง รวมถึงผู้ประดิษฐ์ SPS Alpha, MR-SPS และ CASSIOPeiA
รายงานสรุปว่าดาวเทียม CASSIOPeiA ที่มีความกว้าง 1.7 กม. ในวงโคจรค้างฟ้าส่งรังสีดวงอาทิตย์ไปเป็นระยะทาง 100 กม.2 อาร์เรย์ของเครื่องรับไมโครเวฟ (หรือ "rectenna") ที่ตั้งอยู่ที่นี่บนโลกจะสร้างพลังงานต่อเนื่องได้ 2 GW ซึ่งเทียบเท่ากับเอาท์พุตจากสถานีไฟฟ้าทั่วไปขนาดใหญ่ มันยังดีกว่าที่มีอยู่อีกด้วย ฟาร์มกังหันลมลอนดอนอาเรย์ ในบริเวณปากแม่น้ำเทมส์ ซึ่งใหญ่กว่าประมาณ 25% แต่ผลิตไฟฟ้าเฉลี่ยเพียง 190 เมกะวัตต์
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่โดดเด่นกว่านั้นคือการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจของรายงาน จากการประมาณการว่าระบบขนาดเต็มจะมีค่าใช้จ่าย 16.3 พันล้านปอนด์ในการพัฒนาและเปิดตัว และให้อัตราผลตอบแทนจากการลงทุนขั้นต่ำ 20% เมื่อเทียบเป็นรายปี สรุปได้ว่าระบบพลังงานแสงอาทิตย์ตามพื้นที่ ตลอดอายุการใช้งานประมาณ 100 ปี สามารถผลิตพลังงานได้ที่ 50 ปอนด์ต่อ MWh
Frazer-Nash กล่าวว่ามีราคาแพงกว่าพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันถึง 14–52% แต่ในเชิงวิกฤตแล้ว ราคาถูกกว่าแหล่งพลังงานชีวมวล นิวเคลียร์ หรือก๊าซที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดถึง 39–49% ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานเดียวที่สามารถให้พลังงาน "ภาระพื้นฐาน" ได้อย่างต่อเนื่อง ผู้เขียนรายงานยังกล่าวอีกว่าการประมาณการต้นทุนแบบอนุรักษ์นิยม "คาดว่าจะลดลงเมื่อการพัฒนาดำเนินไป"
“มันขยายขนาดได้อย่างไม่น่าเชื่อ” กล่าว มาร์ติน โซลเทา ของเฟรเซอร์-แนช หนึ่งในผู้เขียน และด้วยระดับแสงอาทิตย์ในอวกาศรอบโลกที่สว่างกว่าด้านล่างมาก เขาจึงคาดว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์ทุกแผงจะรวบรวมได้มากถึง 10 เท่าของหากติดตั้งบนพื้นดิน รายงานระบุว่าสหราชอาณาจักรจะต้องมีดาวเทียมทั้งหมด 15 ดวง ซึ่งแต่ละดวงมีวงจรเรียงกระแสเป็นของตัวเอง เพื่อให้เพียงพอต่อความต้องการพลังงานหนึ่งในสี่ของประเทศภายในปี 2050 ดาวเทียมแต่ละดวงอาจตั้งอยู่ข้างๆ หรือแม้แต่ภายในฟาร์มกังหันลมที่มีอยู่ก็ได้
หากโครงการได้รับการขยายขนาดเพิ่มเติม โดยหลักการแล้วจะสามารถส่งมอบความต้องการไฟฟ้าได้มากกว่า 150% ของความต้องการไฟฟ้าทั่วโลก (แม้ว่าการจัดหาพลังงานที่ยืดหยุ่นมักจะกำหนดแหล่งที่มาที่หลากหลาย) โซลเทาเสริมว่าพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศจะมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าแหล่งพลังงานหมุนเวียนจากโลกมาก รอยเท้าคาร์บอนจะมีน้อย ความต้องการแร่ธาตุหายากมีไม่มากนัก และจะไม่มีเสียงรบกวนหรือโครงสร้างสูงที่มองเห็นได้ ซึ่งต่างจากกังหันลม
หากทั้งหมดนี้ฟังดูดีเกินจริงก็อาจเป็นได้ รายงานของ Frazer-Nash ยอมรับถึง "ปัญหาการพัฒนา" หลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการค้นหาวิธีทำให้การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายมีประสิทธิภาพมากขึ้น คริส โรเดนเบ็ควิศวกรไฟฟ้าจากห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. กล่าวว่าการสาธิตเทคโนโลยีในวงกว้างนั้นทำได้ยาก พวกเขาต้องการการลงทุนที่ยั่งยืนและความก้าวหน้าตามเป้าหมายในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ไดโอดเรียงกระแสกำลังสูง ซึ่งหาได้ยาก
โชคดีที่การส่งพลังงานแบบไร้สายมีความก้าวหน้ามานานหลายทศวรรษ ในปี 2021 ทีมงานของ Rodenbeck ส่งพลังงานไฟฟ้า 1.6 กิโลวัตต์ในระยะทาง 1 กม. โดยมีประสิทธิภาพการแปลงไมโครเวฟเป็นไฟฟ้า 73% เมื่อมองเผินๆ ก็ไม่น่าประทับใจเท่ากับการสาธิตพลังงานไร้สายที่ทรงพลังที่สุดในปัจจุบัน ซึ่งเกิดขึ้นในปี 1975 เมื่อพนักงานที่ ห้องทดลองโกลด์สโตนของนาซา ในแคลิฟอร์เนียได้แปลงไมโครเวฟความถี่ 10 GHz เป็นไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า 80% อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ Rodenbeck ใช้คลื่นไมโครเวฟความถี่ต่ำกว่า 2.4 GHz ซึ่งจะทำให้สูญเสียบรรยากาศในอวกาศน้อยกว่ามาก
เพื่อตอบโต้การเลี้ยวเบนที่สูงขึ้น (การแพร่กระจายของลำแสง) ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่ความถี่ต่ำ นักวิจัยได้ใช้ประโยชน์จากภูมิประเทศโดยรอบเพื่อ "สะท้อน" ไมโครเวฟไปยังอาร์เรย์ตัวรับ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานได้ 70% (IEEE เจ. ไมโครว์ 2 28). “เราทำ [การทดสอบ] ค่อนข้างรวดเร็วและราคาถูกในช่วงที่เกิดโรคระบาดทั่วโลก” โรเดนเบ็คกล่าว “เราสามารถประสบความสำเร็จมากกว่านี้ได้”
การก่อสร้างเบื้องต้นจะต้องอาศัยพื้นที่โรงงานที่เปิดทุกวันตลอด 24 ชั่วโมง โดยมีสายการประกอบเหมือนกับโรงงานผลิตรถยนต์บนโลก
Yang Gao มหาวิทยาลัยเซอร์เรย์
Rodenbeck มีทัศนคติในแง่ดีเกี่ยวกับแนวโน้มของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ในขณะที่นิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้น เขาอ้างว่า "กำลังเผชิญกับปัญหาพื้นฐานของฟิสิกส์" พลังงานแสงอาทิตย์ตามอวกาศ และการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย เป็นเพียง "การวิ่งเทียบกับดอลลาร์" เท่านั้น “[เป็น] พลังงานทดแทนสีเขียวรูปแบบเดียวที่มีศักยภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ต่อเนื่องและเป็นมาตรฐาน” Rodenbeck กล่าว “หากปราศจากความก้าวหน้าทางเทคนิค [ใน] นิวเคลียร์ฟิวชันที่ควบคุมได้ ดูเหมือนว่ามีความเป็นไปได้สูงที่มนุษยชาติจะควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศสำหรับความต้องการพลังงานในอนาคต”
ข้อควรระวังมาจาก หยางเกาวิศวกรอวกาศแห่งมหาวิทยาลัยเซอร์เรย์ในสหราชอาณาจักร ซึ่งยอมรับว่า “ขนาดที่แท้จริง” ของระบบอวกาศที่เสนอนั้น “ค่อนข้างน่าทึ่ง” เธอเชื่อว่าการก่อสร้างในช่วงแรกอาจต้องใช้ “โรงงานที่ทำงาน 24 ชั่วโมงทุกวันในอวกาศ โดยมีสายการประกอบเหมือนกับโรงงานผลิตรถยนต์บนโลก” ซึ่งอาจต้องใช้หุ่นยนต์อัตโนมัติ ในส่วนของการบำรุงรักษาสถานที่ซึ่งเมื่อสร้างขึ้นแล้ว Gao กล่าวว่านั่นจะเป็น "ความต้องการ"
สำหรับเงินสด สิ่งที่สำคัญคือวงโคจรที่ดาวเทียมพลังงานอวกาศจะครอบครอง ดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์แบบค้างฟ้าจะอยู่ห่างจากโลกมากจนต้องใช้เครื่องส่งและวงจรเรียงกระแสขนาดใหญ่และมีราคาแพงเพื่อส่งพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ด้วยการใช้ประโยชน์จากดาวเทียมหลายดวงบนวงโคจรรูปไข่ที่สั้นกว่า นักลงทุนสามารถตระหนักถึงระบบการทำงานขนาดเล็กบนแนวคิด CASSIOPeiA ด้วยเงินทุนเพียงเล็กน้อย ในทางตรงกันข้าม SPS Alpha และ MR-SPS จะต้องมีขนาดเต็มตั้งแต่วันแรก
เจตจำนงมีเพียงพอหรือไม่?
ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอาจไม่ใช่เรื่องทางเศรษฐกิจหรือทางเทคนิค แต่เป็นเรื่องของการเมือง ในโลกที่ผู้คนจำนวนมากเชื่อในทฤษฎีสมคบคิดที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีมือถือ 5G การส่งสัญญาณพลังงานไมโครเวฟระดับกิกะวัตต์จากอวกาศสู่โลกอาจพิสูจน์ได้ว่าขายยาก แม้ว่าความเข้มของลำแสงสูงสุดจะอยู่ที่ 250 วัตต์/เมตรเท่านั้น2น้อยกว่าหนึ่งในสี่ของความเข้มแสงอาทิตย์สูงสุดที่เส้นศูนย์สูตร
ในความเป็นจริง รายงานของสหราชอาณาจักรยอมรับว่าผู้เสนอจำเป็นต้องทดสอบความอยากของสาธารณชน และ "ดูแลการสนทนา" เกี่ยวกับแนวคิดหลัก แต่ยังมีข้อพิจารณาด้านเทคนิคและสังคมด้วยเช่นกัน วงจรเรียงกระแสจะอยู่ที่ไหน? ดาวเทียมจะถูกปลดประจำการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานโดยไม่เพิ่มขยะอวกาศได้อย่างไร จะเหลือพื้นที่ในสเปกตรัมไมโครเวฟเหลือสำหรับสิ่งอื่นหรือไม่? และระบบจะเสี่ยงต่อการถูกโจมตีหรือไม่?
จากรายงานดังกล่าว รัฐบาลสหราชอาณาจักรเปิดตัวกองทุน 3 ล้านปอนด์ เพื่อช่วยให้อุตสาหกรรมต่างๆ พัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญบางประการ โดยอดีตเลขาธิการธุรกิจ Kwasi Kwarteng กล่าวว่าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ “สามารถเป็นแหล่งพลังงานที่ราคาไม่แพง สะอาด และเชื่อถือได้สำหรับคนทั้งโลก” เงินสดจำนวนมหาศาลไม่น่าจะไปไกลถึงการดำเนินการในระดับนี้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม Soltau จึงได้ช่วยก่อตั้งธุรกิจที่เรียกว่า อวกาศโซลาร์ซึ่งหวังว่าจะระดมทุนเริ่มต้นได้ 200 ล้านปอนด์จากนักลงทุนเอกชน
ในขณะเดียวกันสิ่งที่เขาเรียกว่า "ความร่วมมือของความเต็มใจ" โครงการริเริ่มพลังงานอวกาศได้รวบรวมนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และข้าราชการจากสถาบันการศึกษา บริษัท และหน่วยงานภาครัฐกว่า 50 แห่งที่ทำงานอยู่ โปร bono เพื่อช่วยให้ระบบการทำงานเกิดผล SpaceX ยังไม่อยู่ในรายชื่อ แต่ Soltau อ้างว่าได้รับความสนใจจากบริษัทในสหรัฐฯ “พวกเขาสนใจมาก” เขากล่าว
เงินสดไม่ต้องสงสัยว่าจะพบการลงทุน พลังงานหมุนเวียนภาคพื้นดินไม่สามารถจ่ายพลังงานพื้นฐานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่มีโครงสร้างพื้นฐานแบตเตอรี่ที่มีราคาแพงมหาศาล ในขณะที่พลังงานนิวเคลียร์มักจะเผชิญกับการต่อต้านที่รุนแรงอยู่เสมอ Cash เชื่อว่าพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศเป็นส่วนสำคัญของการผสมผสานหากเราต้องการบรรลุเป้าหมายสุทธิเป็นศูนย์ และการขอให้ผู้คนใช้พลังงานน้อยลงก็เป็น "แนวคิดที่เป็นอันตราย" สงครามส่วนใหญ่เกิดขึ้นเพราะขาดทรัพยากร” เขากล่าว “หากเราไม่ดูว่าจะทำให้อารยธรรมก้าวไปข้างหน้าได้อย่างไร ทางเลือกอื่นก็น่ากลัวมาก”
