یک فناوری جدید که از طبیعت الهام گرفته، قصد دارد انرژی خورشیدی را در فضا جمعآوری کرده و آن را به پرتوهای لیزری تبدیل کند تا بتوان انرژی را در فاصلههای بسیار طولانی منتقل کرد؛ تحولات جدید در حوزه انرژیهای تجدیدپذیر، مسیر تازهای را برای تامین انرژی ایستگاههای فضایی، ماهوارهها و ماموریتهای آینده باز کرده که در بلندمدت، نیاز به فتوولتائیک و سلولهای خورشیدی در سازههای فضایی را مرتفع میسازد و باعث صرفهجویی در هزینه ساخت و پرتاب آنها به فضا میشود.
به فناوری تبدیل مستقیم نور خورشید به برق با استفاده از سلولهای خورشیدی، فتوولتائیک (Photovoltaic) گفته میشود؛ این سلولها، معمولا از مواد نیمههادی مانند سیلیکون ساخته شدهاند و هنگام تابش نور خورشید، الکترونهای موجود در ساختار ماده به حرکت در میآیند و جریان الکتریکی تولید میکنند.
فتوولتائیک به عنوان یکی از پایدارترین و پاکترین منابع تولید انرژی، نقش مهمی در کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی و کاهش آلودگی زیستمحیطی ایفا میکند؛ این فناوری، در مقیاسهای مختلف از پنلهای کوچک روی سقف خانهها تا سلولهای خورشیدی ماهوارههای مستقر در فضا استفاده میشود و یکی از اصلیترین روشهای توسعه انرژیهای تجدیدپذیر در جهان به شمار میرود.
انتقال انرژی در فضا با لیزر
یک تیم بینالمللی از دانشمندان، شامل محققانی از دانشگاه هریوت وات (Heriot-Watt University) در اسکاتلند، در حال توسعه فناوری پیشرفتهای هستند که انرژی خورشیدی را به لیزر تبدیل میکند؛ این لیزرها برای انتقال انرژی به سازههای خارج از جو زمین، مانند شاتلها، ایستگاههای فضایی، پایگاههای قمری و ماهوارهها طراحی شدهاند.
ایده فناوری مذکور این است که فضاپیماها بتوانند از طریق پرتوهای لیزری تولید شده از انرژی خورشیدی که از زمین یا ماهوارهها ارسال میشود، انرژی دریافت کنند و به این ترتیب، وابستگی به منابع سنتی کاهش یابد؛ از ویژگیهای کلیدی این فناوری، توانایی انتقال انرژی در فواصل بسیار طولانی میباشد، به طوری که این لیزرها میتوانند انرژی را از یک ماهواره به پایگاه قمری یا از یک پایگاه قمری به پایگاه دیگر منتقل کنند.
لیزرهای خورشیدی الهام گرفته از فتوسنتز
اگرچه این ایده علمی-تخیلی به نظر میرسد، اما ریشه آن در طبیعت و فرآیند فتوسنتز (Photosynthesis) میباشد که در گیاهان و باکتریها رخ میدهد. فتوسنتز مکانیزمی است که طی آن نور خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل میشود.
در این فناوری، از ساختارهای فتوسنتزی باکتریها الهام گرفته شده است. دانشمندان قصد دارند از آنتنهایی برگرفته از شاخکهای خاص این باکتریها که نور خورشید را بسیار کارآمد جذب میکنند، برای هدایت انرژی به سمت هدف خاص استفاده کنند؛ این فناوری باعث میشود عملکرد لیزرها با کارایی بالا و تطابق با مکانیزم فتوسنتز طبیعی ممکن شود.
همکاری چهار کشور برای توسعه فناوری لیزر خورشیدی
تحقیق در خصوص لیزرهای خورشیدی، در قالب پروژهای با نام اپیس (APACE)، با همکاری دانشمندانی از چهار کشور یعنی بریتانیا، لهستان، ایتالیا و آلمان پیش میرود؛ هدف این پروژه ایجاد یک سامانه قدرت تجدیدپذیر برای ماموریتهای فضایی فعلی و آینده مانند ماموریتهای مریخ میباشد.
علاوه بر استفادههای فضایی، این فناوری میتواند مسیرهای جدیدی برای انتقال بیسیم انرژی و گزینههای انرژی پایدار بر روی زمین باز کند؛ گام بعدی این تیم، بازتولید نظریه خود در شرایط آزمایشگاهی برای مرحله مشاهده و آزمایش است. در صورت موفقیت، فناوری توسعهیافته در شرایط واقعی فضا مورد آزمایش قرار خواهد گرفت.
استفاده از باکتریهای مقاوم به نور کم برای تولید لیزر
محققان در حال آمادهسازی برای استخراج مکانیسمهای طبیعی جذب نور از باکتریهایی هستند که در شرایط کمنور تکامل یافتهاند و توانایی برداشت تقریبا تمام فوتونهای نوری که به آنها میرسد را دارند.
این باکتریها به آنتنهای مولکولی خاصی مجهز هستند که پس از میلیونها سال تکامل، به یک سامانه بسیار کارآمد تبدیل شدهاند؛ به همین دلیل، این فناوری میتواند از این قابلیت طبیعی الگوبرداری کرده و آن را به یک پیشرفت در زمینه تامین قدرت در سازههای فضایی تبدیل کند.
اریک گاگر (Erik Gauger)، از موسسه علوم فوتونیک و کوانتوم در دانشگاه هریوت وات که رهبری بخش مدلسازی نظری پروژه را بر عهده دارد، اظهار میکند: «تولید پایدار انرژی در فضا بدون اتکا به اجزای فاسدشدنی که از زمین ارسال میشوند، چالشی بزرگ است. موجودات زنده به طور طبیعی در خودکفایی و خودآرایی مهارت دارند. پروژه ما که از طبیعت الهام میگیرد، یک گام فراتر میرود و از عملکرد موجود در ماشینآلات فتوسنتزی باکتریها استفاده میکند تا به پیشرفتی در زمینه تامین انرژی فضایی دست یابد.»
چشمانداز آینده، لیزرهای خورشیدی برای زمین و فضا
این فناوری، ظرفیت تحولآفرین بسیار گستردهای دارد؛ به عنوان مثال، قدرت میتواند بر روی زمین تولید شده و نیاز به پنلهای خورشیدی یا دستگاههای انتقال انرژی مانند باتریها، ترانسفورماتورها یا اینورترها را کاهش دهد.
این سامانههای لیزری میتوانند به عنوان مکمل سامانههای خورشیدی سنتی مانند باتریها و سلولهای خورشیدی عمل کنند و کارایی، بازده و مقرون به صرفه بودن آنها را افزایش دهند. از قابلیت انتقال طولانیمدت لیزرها میتوان برای تحویل برق در مناطق دورافتاده نیز استفاده کرد، جایی که دسترسی به شبکه برق دشوار است.
با توجه به پیشرفتهای مستمر در تولید انرژی تجدیدپذیر، این فناوری نویدبخش یک تحول بزرگ در تامین انرژی پایدار برای آینده است. تیمهای تحقیقاتی پروژه اپیس همچنان به آزمایش، بهینهسازی و آمادهسازی فناوری برای استفاده عملی در شرایط فضایی و زمینی ادامه خواهند داد.
فناوری لیزرهای خورشیدی، گامی بلند در جهت توسعه انرژی تجدیدپذیر برای استفادههای فضایی و زمینی محسوب میشود. با الهام از طبیعت و همکاری بینالمللی، این فناوری میتواند کاربردهای گستردهای در زمینه انتقال بیسیم انرژی، تامین برق پایگاههای فضایی و حتی مناطق دورافتاده زمین داشته باشد؛ اگر این پروژه به نتیجه برسد، دنیای انرژی پاک وارد مرحلهای کاملا جدید خواهد شد.