منصات جوية لنقل أشعة الليزر إلى مناطق الأرض النائية

تخطّط وكالة مشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة «داربا»، التابعة لوزارة الدفاع الأميركية، لبثّ الطاقة على مسافة مئات الكيلومترات، بدل الاعتماد على الأسلاك لتوصيلها، وقد أعلنت الوكالة في سبتمبر (أيلول) الفائت أنّها اختارت 3 مجموعات لتصميم نظم من مُرحّلات جوية للطاقة ضرورية في هذا النوع من المشاريع.

طاقة ضوئية عبر الأجواء

يمكن لأيّ شخص أن يتخيل كيف تعمل أشعة الليزر مع الخلايا الشمسية، ويتخيّل كيف تنفذ عملية بثّ الطاقة؛ ليزر يطلق أشعته على شبكة خلايا شمسية مهمّتها تحويل الضوء إلى كهرباء.

ولا تهدف «داربا» من هذا المشروع تزويد المنازل بالكهرباء، بل توصيل الطاقة إلى أماكن يُعد توليدها فيها صعباً أو مكلفاً أو خطيراً؛ لأن بنيتها التحتية تحتاج إلى شحنات من الوقود أو البطاريات.

وفي حديث نقله موقع مجلة «المهندسين الكهربائيين» الأميركية، قال بول جافّي، مهندس إلكتروني مشرف على مبادرة «بث الطاقة اللاسلكية الضوئية المستمرة» في «داربا»: «تدعم الطاقة كلّ نشاط نقوم به، وحتّى في عمليات الدفاع. يمكن لشبكة طاقة لاسلكية أن تختزل التجهيزات اللوجستية، وتوريد الطاقة بطريقة شديدة المرونة والفاعلية والقابلية».

اختارت «داربا» 3 مجموعات لتصميم وتطوير نظم بثّ الطاقة: «آر تي إكس» في أرلينغتون، فيرجينيا؛ «ودرابر» في كمبريدج، ماساتشوستس؛ و«بيم كو» في أورلاندو، فلوريدا. ووضعت الوكالة هدفاً للفرق الثلاثة يتمثّل بإطلاق أشعة الليزر على نُظم مدارية قادرة على إرسال هذه الأشعة إلى وجهاتها.

يعتزم المشروع استخدام الأشعة البصرية أو تحت الحمراء، على اعتبار أنّ موجاتها الطولية القصيرة نسبياً تتطلّب مرحّلات صغيرة تستقرّ بسهولة أكبر على المنصّات الجوية.

منصات جوية

يقول جافّي إنّه لا يزال من المبكّر تحديد كيف تختلف مقاربات الفرق الثلاثة. ولكنّه يلفت إلى وجود استراتيجيات عدّة قد تتبعها المجموعات في تصميم المرحّلات الجوية لإرسال الضوء إلى وجهاته، وهي الانعكاس، والانحراف، والانكسار، أو مزيج من الثلاثة.

تتطلّب المرحلة الأولى للمبادرة من المجموعات أيضاً تطوير تصميمات نظرية لمنصّات جوية قادرة على امتصاص جزء بسيط من الطاقة المبثوثة، لتزويد نفسها بالطاقة. وقد تؤدّي هذه الاستراتيجية إلى تصميم مركبات جوية مستقبلية أصغر حجماً وأقلّ كلفة، على اعتبار أنّ المنصات الجديدة ستساعد في تقليص الحجم الذي ستحتاجه المركبة لمحركاتها والوقود بشكلٍ جذري. يستطيع هذا النوع من المركبات أيضاً حصاد الطاقة من الطاقة المبثوثة، بدل الحاجة إلى رحلات للتزوّد بالوقود، أو إعادة الشحن.

أمّا المرحلة الثانية فستتطلّب دمج تقنيات المرحّلات في حجرات محمولة على متن طائرات تقليدية. وفي المرحلة الثالثة والأخيرة، يرتكز هدف الوكالة على وضع ليزر في منشأة أرضية لبثّ أشعة بقدرة 10 كيلوواط نحو متلقٍّ أرضي أفقي على مسافة 200 كيلومتر، باستخدام 3 مرحّلات هوائية.

يقول جافّي إنّ «هذا الأمر سيُثبت أنّنا نملك وسيلةً لتوصيل الطاقة على مسافات بعيدة جداً، إلى أماكن يصعب الوصول إليها في الوقت الحالي».

لم يحقّق مبدأ بثّ الطاقة الكثير حتّى اليوم. على سبيل المثال، امتدّت أوّل محاولة ناجحة لبثّ الطاقة بالليزر في الفضاء، بقيادة مختبر أبحاث البحرية الأميركية، على متن المحطّة الفضائية الدولية في 2023، لمسافة 1.45 متر فقط.

ويلفت جافّي إلى أنّ «التركيز حالياً سيكون على توسيع بثّ الطاقة لمسافة أكبر بمرّتين من حيث الحجم عمّا تمّ إثباته حتّى اليوم».

تحديات التنفيذ

قد يكون مبدأ بثّ الطاقة بسيطاً، ولكنّ التحديات التي تواجه تطبيقه على أرض الواقع كثيرة، إلّا أنّ التطوّرات التقنية الأخيرة قد تجعله أقرب إلى التحقّق.

يشرح جافّي أنّ أكبر الخسائر التي تواجه تجارب بثّ الطاقة «غالباً ما تحصل على مستوى النّاقل». ولكنّ تطوّر تقنية الليزر في العقد المنصرم لم يساهم في تطوير ناقلات أكثر فاعلية فحسب، بل في تحسين نوعية البثّ أيضاً. ويشدّد المهندس على أنّ «نوعية البثّ هي الشيء الوحيد الذي يحدّد مستوى تركيزه، فكلّما كان البثّ مركّزاً استطاع توصيل الطاقة بشكلٍ أفضل».

علاوةً على ذلك، ساهم التقدّم في تقنية «الليدار» (جهاز بالليزر لرصد وقياس المسافات) المستخدمة في المركبات الآلية، في ابتكار ثنائيات ضوئية أكثر فاعلية لتحويل الضوء إلى كهرباء. ويشرح جافّي بأنّ «تحويل قوّة الليزر قد يفوق 50 في المائة، وحتّى 75 في المائة في درجات الحرارة المنخفضة».

في الاستراتيجيات السابقة، كان كلّ نظام مرحّل في شبكات بثّ الطاقة يتلقّى الضوء، ويحوّله إلى كهرباء، ومن ثمّ يستخدم هذه الكهرباء لشحن ليزر يُطلق باتجاه النقطة التّالية، ولكنّ خطوات التحويل هذه أثبتت أنّها غير فعالة. في المقابل، يهدف المشروع الجديد إلى استخدام استراتيجيات بصرية لتوجيه الضوء من مرحّل إلى آخر، وتجنّب الخسائر الناتجة عن التحويل.

وأخيراً، لا نعلم بعد ما إذا كانت جهود بثّ الطاقة ستثبت فاعلية عالية، لا سيّما أنّ اختبار بثّ الطاقة في المحطّة الفضائية الدولية أظهر فاعلية بين أطراف الشبكة لم تتعدّ 11 في المائة.