Net Zero Techup

27 พ.ย. 2565ยาว 4 นาที

♻️ รุ่งอรุณยุคใหม่เเห่งโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จากห้วงอวกาศ (Space-Based Solar Power : SBSP)

อัปเดตเมื่อ 5 มี.ค. 2566

☀️ Space-Based Solar Power (SBSP) คืออะไร

SBSP คือเทคโนโลยีการผลิตกระเเสไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานเเสงอาทิตย์ในอวกาศ โดยการส่งกลุ่มดาวเทียมที่ได้มีการติดตั้งแผงโซล่าเซลล์ขึ้นไปโคจรรอบโลกในตำแหน่งความสูงที่เหมาะสมทำให้สามารถรับพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้ตลอดเวลา จากนั้นทำการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นคลื่นไมโครเวฟ หรือลำแสงเลเซอร์ส่งกลับมายังฐานรับบนพื้นผิวโลก จากนั้นฐานรับสัญญาณจะแปลงฟลักซ์พลังงานที่ส่งกลับลงมานั้นให้กลายเป็นกระแสไฟฟ้าเข้าสู่ระบบโครงข่ายไฟฟ้า (Electricity Grid) เพื่อแจกจ่ายไปยังผู้บริโภคต่อไป

🚩 ความเป็นมาเเละแนวคิดโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SBSP)

เเนวคิดในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศนี้ ไม่ได้เป็นเเนวคิดใหม่แต่อย่างไร แต่ด้วยข้อจำกัดทางด้านเทคโนโลยีที่ต้องใช้ระยะเวลายาวนานในการพัฒนาขึ้น โดยแนวคิดนี้ได้ถูกนำเสนอเป็นครั้งแรกในนิยายวิทยาศาสตร์ชื่อว่า "Reason" เขียนโดย ไอแซค อาซิมอฟ (Isaac Asimov) ในปี ค.ศ. 1941 จากนั้นวิศวกรอวกาศชื่อว่า ปีเตอร์ กลาเชอร์ (Peter Glacer) ได้นำไอเดียดังกล่าวมานำเสนอความเป็นไปได้และตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1968 ซึ่งต่อมาได้รับจดสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริกาสำหรับวิธีการส่งกระเเสไฟฟ้าจากอวกาศมายังพื้นผิวโลก โดยอาศัยคลื่นไมโครเวฟจากเสาอากาศขนาดใหญ่บนดาวเทียมส่งกลับมายังเสารับสัญญาณบนพื้นผิวโลกที่เรียกว่า Rectenna ซึ่งเป็นเสาอากาศรับสัญญาณชนิดพิเศษที่ใช้สำหรับแปลงพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นไฟฟ้ากระแสตรง

ในช่วงระหว่างปี 1978 - 1986 สภาคองเกรสได้มอบอำนาจให้กระทรวงพลังงาน (DoE) และ NASA ร่วมกันตรวจสอบแนวคิดดังกล่าว และมีการเผยแพร่รายงานหลายฉบับในการตรวจสอบความเป็นไปได้ทางวิศวกรรม ต่อมาในปี 1999 โครงการวิจัยและเทคโนโลยีการสำรวจพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศของ NASA ที่เรียกว่า Space Solar Power Exploratory Research and Technology program (SERT) ได้ริเริ่มขึ้นเพื่อดำเนินการพัฒนาแนวคิดดาวเทียมพลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับระบบพลังงานไฟฟ้าในอวกาศขนาดกิกะวัตต์

🚩 โครงการโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SBSP) ในเชิงพานิชย์

✅️ การพัฒนา SBSP ในประเทศจีน

เดือนพฤศจิกายน ปี 2019 Wang Li นักวิจัยประจำสถาบันเทคโนโลยีอวกาศแห่งชาติจีน (China Academy of Space Technology: CAST) ได้กล่าวว่า ทางจีนวางแผนไว้ว่าจะสร้างสถานีพลังงานแสงอาทิตย์ระดับ Megawatt ในอวกาศหนักกว่า 200 ตัน ให้ได้ก่อนปี 2035 ในงานประชุมด้านวิศวกรรมระหว่างรัสเซียและจีนครั้งที่ 6 (China-Russia Engineering Forum) ที่จัดขึ้นในเมืองเซี่ยเหมิน มณฑลฝูเจี้ยน ประเทศจีน ล่าสุดเมื่อวันที่ 23 พฤศจิกายน 2022 Yang Hong หัวหน้าผู้ออกแบบสถานีอวกาศ Tiangong ได้กล่าวในงาน China Space Conference ว่า จีนมีความตั้งใจจะใช้สถานีอวกาศเทียนกงที่เพิ่งสร้างเสร็จเพื่อทดสอบเทคโนโลยี SBSP โดยการทดสอบระยะที่ 1 และ 2 จะดำเนินการถ่ายโอนไฟฟ้าแรงสูงในอวกาศและการทดลองส่งพลังงานแบบไร้สายในวงโคจร GSO ภายในปี 2028 ซึ่งต้องอาศัยความแม่นยำในการส่งผ่านพลังงาน (Energy Transmission) ในระยะทางกว่า 35,800 กิโลเมตร มายังพื้นผิวโลก ส่วนการทดสอบในระยะที่ 3 และ 4 จะเริ่มในปี 2035 และ 2050 ตามลำดับ โดยมีเป้าหมายเพื่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าขนาด 10 เมกะวัตต์ และ 2 กิกะวัตต์

✅️ การพัฒนา SBSP ในสหรัฐอเมริกา

เมื่อวันที่ 17 ตุลาคม 2022 มีรายงานว่า ทีมนักวิจัยของ Caltech กำลังปรับแต่งยานอวกาศแบบแยกส่วน (Modular Spacecraft) ขนาดพื้นที่ 3.5 ตารางไมล์ หรือประมาณ 9 ตารางกิโลเมตร สำหรับติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์เพื่อรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์และแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าส่งกลับมายังพื้นผิวโลก ภายใต้ชื่อโครงการ Space-based Solar Power Project (SSPP) นำโดย Atwater ศาสตราจารย์ Howard Hughes สาขาฟิสิกส์ประยุกต์และวัสดุศาสตร์ โครงการดังกล่าวนี้ได้รับการสนับสนุนเงินทุนมากกว่า 100 ล้านดอลลาร์ จาก Donald Bren ประธานบริษัท Irvine และกลุ่มสมาชิก Caltech นอกจากนี้ยังได้รับเงินทุนจากบริษัท Northrup Grumman Corporation ในการศึกษาความเป็นไปได้เบื้องต้น เกือบ 10 ปี ที่นักวิจีย Caltech ได้ริเริ่มและพัฒนาโครงการดังกล่าว และคาดว่าจะเริ่มการทดสอบการปล่อยอุปกรณ์ต้นแบบขึ้นสู่อวกาศในเดือนธันวาคม 2022 นี้

✅️ การพัฒนา SBSP ในยุโรป

เมื่อวันที่ 22 พฤศจิกายน 2022 มีรายงานว่า องค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency: ESA) กำลังพิจารณาจัดตั้งโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศภายใต้ชื่อโครงการ “Solaris” หลังจากใช้เวลาพิจารณาเป็นเวลานานกว่า 3 ปี โดย ESA กำลังมองหาเงินทุนจากประเทศสมาชิกเพื่อศึกษาความเป็นไปได้ทางวิศวกรรม นอกจากนี้ ในสหราชอาณาจักรเองก็ได้มีการตั้งบริษัท Space Solar ขึ้น โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อเปิดตัวโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศภายใน 6 ปี และดำเนินการในเชิงพาณิชย์ภายใน 9 ปี

✅️ การพัฒนา SBSP ในญี่ปุ่น

เมื่อวันที่ 6 กันยายน 2021 มีรายงานว่ารัฐบาลญี่ปุ่นจะเริ่มการทดลองติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ในอวกาศในปี 2022 โดยมีจุดประสงค์เพื่อทดสอบและสาธิตระบบพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศ รัฐบาลญี่ปุ่นตั้งเป้าหมายที่จะเอาชนะปัญหาด้านเทคนิคและนำระบบไปใช้จริงภายในปี 2050 เพื่อให้บรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอน และเมื่อวันที่ 28 มกราคม 2022 มีรายงานว่า Japan Space Systems ได้ประกาศว่า ภายในปี 2025 จะสาธิตระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศที่ใช้ดาวเทียมรวบรวมพลังงานจากดวงอาทิตย์และส่งกลับมายังโลก

🚩 หลักการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ (SBSP)

ระบบ SBSP โดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนรับแสงทำหน้าที่รวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ ไม่ว่าจะเป็นในรูปแบบของแผงโซลาร์เซลล์ หรือแผ่นกระจก (Mirrors/Reflectors) สะท้อนลำแสงไปยังส่วนรวบรวมแสงอาทิตย์ (Collector) เพื่อส่งต่อและแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง โดยอาศัยทรานสมิตเตอร์ (Transmitter) ในการแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงให้อยู่ในรูปของคลื่นไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์ เพื่อให้สามารถส่งพลังงานกลับมายังพื้นผิวโลกแบบไร้สายที่ความถี่จำเพาะค่าหนึ่ง ทั้งนี้ คลื่นไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์ที่ถูกส่งกลับมาผิวโลกจะถูกจับด้วยเสารับสัญญาณ (Rectenna) ขนาดใหญ่ อาจมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2-3 กิโลเมตร ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์แปลงสัญญาณคลื่นไมโครเวฟกลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง และเชื่อมต่อเข้ากับระบบสายส่งของโครงข่ายไฟฟ้าต่อไป

🚩 ระบบ SBSP สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท โดยสถาบันการศึกษาด้านอวกาศระดับนานาชาติ (IAA) ดังนี้

✅ ️Type I: Microwave Classic ประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์ที่หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ ระบบแปลงกำลังไฟฟ้าเป็นคลื่นไมโครเวฟแบบไร้สาย (Wireless Power Transmission: WPT) ซึ่งหันหน้าเข้าหาผิวโลก และเสารับสัญญาณบนภาคพื้นโลก (Rectenna)

✅️ Type II: Modular Electric Laser Design ประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์เช่นเดียวกับ Type I แต่ระบบแปลงกำลังไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นการใช้แสงเลเซอร์แทนคลื่นไมโครเวฟ เพื่อส่งสัญญาณเลเซอร์กลับสู่ผิวโลกด้วยแผงตรวจจับสัญญาณ

✅ ️Type III: Modular Sandwich เป็นแนวคิดหลักการรวมแสงสะท้อนจากกระจกที่วางในตำแหน่งที่สมมาตรกัน เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์เข้าไปยังแผงโซล่าเซลล์ ระบบ SBSP Type III นี้จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าศักย์สูง (High Voltage) และมีขนาดเล็กว่า Type I และ Type II

🚩 การพิจารณาตำแหน่งวงโคจรที่เหมาะสมสำหรับ SBSP มีดังนี้

✅️ 1. วงโคจรระดับต่ำ (Lower Earth Orbit: LEO) มีความสูงระหว่าง 200 ถึง 2,000 กม. จากพื้นผิวโลก โดยในระดับ LEO นี้ดาวเทียมที่โคจรจะมีอัตราเร็วของวงโคจรที่ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับวงโคจรอื่น ทำให้การส่ง SBSP ไปที่วงโคจร LEO จำเป็นจะต้องใช้กลุ่มสถานีอวกาศ/ดาวเทียมหลายชุด เพื่อที่จะสามารถส่งพลังงานไฟฟ้ากลับมาที่สถานีรับสัญญาณบนผิวโลกได้อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ ผลของแรงโน้มถ่วงโลกส่งผลให้ดาวเทียมหรือสถานีอวกาศในวงโคจร LEO จำเป็นต้องใช้ระบบขับเคลื่อนจากพลังงานไฟฟ้าหรือเชื้อเพลิงเพื่อรักษาระดับความสูงให้คงที่ (สถานีอวกาศนานาชาติ ISS เองก็อยู่ในวงโคจร LEO ที่ระดับความสูงประมาณ 400 กม.)

✅️ 2. วงโคจรระดับกลาง (Medium Earth Orbit: MEO) มีความสูงประมาณ 2,000 ถึง 20,000 กม. จากพื้นผิวโลก อยู่ระหว่างวงโคจร LEO และวงโคจรพ้องคาบโลก (Geosynchronous Orbit: GSO) โดยวงโคจรในระดับ MEO นี้ ดาวเทียม/สถานีอวกาศจะมีอัตราเร็วในวงโคจรไม่สูงเท่ากับวงโคจร LEO แต่ยังไม่ถึงกับหยุดนิ่งเหมือนดาวเทียมในวงโคจร GSO ทำให้การวางตำแหน่งของ SBSP ในวงโคจร MEO ไม่จำเป็นต้องใช้จำนวนกลุ่มดาวเทียม/สถานีอวกาศในปริมาณมากเท่ากับวงโคจร LEO โดยที่ดาวเทียม/สถานีอวกาศในวงโคจร MEO ยังต้องมีระบบขับเคลื่อนเพื่อรักษาความสูงเช่นเดียวกับวงโคจร LEO แต่อาจใช้พลังงานไฟฟ้าหรือเชื้อเพลิงในปริมาณที่น้อยกว่า

✅️ 3. วงโคจรพ้องคาบโลก (Geosynchronous Orbit: GSO) และวงโคจรค้างฟ้า (Geostationary Orbit: GEO) มีความสูง 35,786 กม. จากพื้นผิวโลก ซึ่งเป็นความสูงที่ดาวเทียม/สถานีอวกาศจะโคจรรอบโลกในอัตราเท่ากับการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ผู้สังเกตการณ์บนพื้นดินจะเห็นดาวเทียม/สถานีอวกาศในระดับวงโคจร GEO/GSO อยู่ในตำแหน่งเดิมตลอดทั้งวัน อย่างไรก็ตาม วงโคจร GSO จะแตกต่างจากวงโคจร GEO ตรงที่ GSO จะมีมุมเอียง (Inclination) เล็กน้อยในขณะที่วงโคจร GEO จะอยู่ในระนาบเดียวกับเส้นศูนย์สูตรของโลก ดังนั้น การส่ง SBSP เข้าไปสู่วงโคจร GEO/GSO จะทำให้ขนาดของระบบ SBSP ที่จำเป็นในการผลิตไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง สามารถลดจำนวนเหลือเพียงชุดเดียวต่อหนึ่งสถานีรับสัญญาณบนผิวโลก สามารถรับแสงอาทิตย์ได้ในปริมาณมากกว่าวงโคจรที่ต่ำกว่า และทำให้พลังงานที่ใช้ในระบบขับเคลื่อนเพื่อรักษาระยะความสูงมีความต้องการลดน้อยลง เนื่องจากผลกระทบที่น้อยกว่าของแรงโน้มถ่วงโลก ทำให้ความสูงในระดับนี้ถือเป็นเป้าหมายในการวางตำแหน่งของ SBSP เพื่อประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูงสุด อย่างไรก็ตาม การส่งดาวเทียม/สถานีอวกาศเข้าไปที่ระดับความสูงของวงโคจร GEO/GSO จะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าวงโคจร LEO และ MEO ซึ่งในปัจจุบันมีจำนวนดาวเทียมประมาณ 560 ดวง โคจรอยู่ในความสูงระดับ GEO และ GSO แล้ว

✅️ 4. ตำแหน่ง L1 เป็นหนึ่งใน 5 จุด (L1, L2, L3, L4, และ L5) ของ Lagrange Points ที่สมดุลของแรงโน้มถ่วงระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ออกแรงกระทำต่อวัตถุหนึ่งๆ ที่วางไว้ในตำแหน่งนั้นในปริมาณที่เท่ากัน ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้ดาวเทียม/สถานีอวกาศสามารถโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลกพอดีทำให้ระยะห่างของดาวเทียม/สถานีอวกาศกับโลกและดวงอาทิตย์อยู่ในระยะเท่ากันตลอดเวลาคาบวงโคจร เป็นผลให้ความต้องการปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ในการขับเคลื่อนอยู่ในระดับที่ต่ำมาก โดยตำแหน่ง L1 อยู่ระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกมีระยะห่างประมาณ 1.5 ล้าน กม. จากพื้นผิวโลก ซึ่งเป็นระยะความสูงที่สามารถหันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ได้ตลอดเวลาโดยไม่มีสิ่งกีดขวางใดๆ ซึ่งอาจเป็นตำแหน่งที่น่าสนใจหนึ่งในการพิจารณาวางตำแหน่งของ SBSP เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม วงโคจรในตำแหน่ง L1 (รวมถึง L2 และ L3) เป็นวงโคจรที่ไม่เสถียร โดยหากมีแรงกระทำต่อวัตถุเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอจะทำให้วัตถุนั้นหลุดออกจากวงโคจรได้อย่างง่ายดาย จึงจำเป็นต้องมีระบบขับดัน (Propulsion System) ที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพในการส่ง SBSP ไปที่ยังตำแหน่ง L1 นี้ นอกจากนี้ ตำแหน่ง L1 ยังเป็นตำแหน่งที่ไม่ถูกปกป้องด้วยสนามแม่เหล็กของโลก ทำให้มีโอกาสได้รับผลกระทบจากพายุสุริยะอาจทำให้เกิดอันตรายต่อระบบ SBSP ได้ จึงจำเป็นต้องพิจารณาถึงการติดตั้งระบบเกราะป้องกันรังสีความร้อน หากปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไข ตำแหน่ง L1 จะเป็นจุดที่เหมาะสมที่สุดในการวางระบบ SBSP เพื่อผลิตไฟฟ้าในอวกาศในอนาคต (ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์อวกาศ SOHO โคจรอยู่ในตำแหน่ง L1 เพื่อสำรวจดวงอาทิตย์ และกล้องโทรทัศน์อวกาศ James Webb โคจรอยู่ในตำแหน่ง L2 เพื่อศึกษาดาราศาสตร์ในย่านรังสีอินฟราเรด)

🚩 ระบบ SBSP ประกอบด้วยกลไกและชุดอุปกรณ์หลัก ดังต่อไปนี้

✅ 1. แผงโซลาร์เซลล์ในอวกาศ (Space-Based Solar Panel)

ในอดีตตั้งแต่มีการบุกเบิกการสำรวจอวกาศ แผงโซล่าเซลล์มักจะผลิตจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ (Gallium Arsenide: GaAs) เนื่องจากความทนทานต่อสภาพแวดล้อมในอวกาศและมีประสิทธิภาพของการไหลของอิเล็กตรอนที่ดีกว่าซิลิกอน โดยโซล่าเซลล์ GaAs แบบ Single Junction จะมีประสิทธิภาพ 28-30% ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาโซล่าเซลล์แบบ Multi-Junction ซึ่งประกอบด้วยชั้นของสารจำพวก Indium Gallium Phosphide, Germanium และ Gallium Arsenide จำนวนหลายชั้น โดยมีประสิทธิภาพถึง 39-47% ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่น่าจะแพร่หลายต่อไปในอนาคต ทั้งในวงการอวกาศและการใช้งานเชิงพาณิชย์ ทั้งนี้ ปัจจัยที่ต้องพิจารณาเป็นลำดับแรกคือขนาดและน้ำหนักของแผงโซล่าเซลล์และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งงานวิจัย SBSP จะมุ่งเน้นในการพัฒนาวัสดุน้ำหนักเบาเป็นพิเศษเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการขนส่งขึ้นสู่วงโคจร

✅️ 2. กระจกหรือแผงสะท้อนแสง (Reflectors/Mirrors)

ในระบบที่ใช้กระจกหรือแผงสะท้อนแสงอย่าง SBSP Type III จำเป็นต้องพิจารณาถึงประสิทธิภาพและน้ำหนักของกระจกหรือแผงสะท้อนแสง ซึ่งมักเป็นแผ่นโค้งทรงพาราโบลาเพื่อใช้ในการรวมแสงอาทิตย์เข้ามาที่ระบบ Transmission แปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์ส่งกลับมายังพื้นผิวโลก โดยน้ำหนักของกระจกหรือแผงสะท้อนแสงเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการขนส่งขึ้นสู่วงโคจรเช่นกัน

✅️ 3. ระบบกลไก (Mechanisms)

เนื่องจากข้อจำกัดด้านการขนส่งวัสดุอุปกรณ์และค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดเพื่อส่ง SBSP ขึ้นสู่วงโคจร อุปกรณ์ต่างๆ ที่มีโครงสร้างขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีการบรรจุลงในพื้นที่ที่จำกัดเพื่อความง่ายต่อการขนส่ง ควรทำให้มีขนาดกะทัดรัดและมีน้ำหนักเบา รวมถึงกลไกการจัดวางอุปกรณ์ ปัจจุบันมีงานวิจัยเพื่อค้นคว้าหากลไกและวิธีการใหม่ๆ ในการนำแผงโซล่าเซลล์และอุปกรณ์ประกอบระบบ SBSP มาใช้ในอนาคต โดยเน้นการค้นหาอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักเบาและมีความทนทานสูง

✅️ 4. ระบบส่งสัญญาณ (Power Transmission)

ระบบส่งสัญญาณทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ผลิตได้จากแผงโซล่าเซลล์เป็นสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) ไม่ว่าจะเป็นในรูปของคลื่นไมโครเวฟ หรือแสงเลเซอร์เพื่อส่งต่อไปยังผิวโลก ในปัจจุบันหลายประเทศกำลังให้ความสนใจในการใช้แนวคิดการส่งสัญญาณกำลังไฟฟ้าด้วยแสงเลเซอร์แบบต่างๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งไฟฟ้า ซึ่งข้อดีของระบบ SBSP แบบเลเซอร์ คือระบบมีขนาดเล็กและต้นทุนต่ำกว่าแบบคลื่นไมโครเวฟ สามารถทำการติดตั้งในอวกาศได้อย่างรวดเร็วด้วยตัวเอง (Self-Assembly) ซึ่งช่วยลดข้อจำกัดด้านต้นทุน ความเสี่ยงในการก่อสร้างและการดำเนินงาน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดหนึ่งของการใช้แสงเลเซอร์คือการถูกกีดขวางจากภาพชั้นบรรยากาศหรือก้อนเมฆ ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของแสงเลเซอร์ลง อาจแก้ปัญหาได้ด้วยการส่งสัญญาณเลเซอร์ไปยังสถานีรับสัญญาณใกล้เคียง หรือใช้ SBSP อื่นในกลุ่มแทน (Constellation) ในกรณีที่เลวร้ายที่สุดของระบบนี้ คืออาจนำไปสู่การพัฒนาความแม่นยำและความเข้มของแสงเลเซอร์ซึ่งอาจกลายเป็นอาวุธและปฏิบัติการทางทหารได้

ในขณะที่ระบบส่งสัญญาณแบบไมโครเวฟ พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงโซล่าเซลล์จะถูกนำมาใช้สร้างพลังงานในรูปแบบสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุ (Radio-frequency: RF) ในอุปกรณ์ส่งสัญญาณ (Transmitter) ซึ่งอาจเป็นโครงสร้างที่ใช้แม็กนีตรอน (Magnetron) หรือหลอดสุญญากาศสร้างลำแสงเชิงเส้น หรือคลิสตรอน (Klystron) เพื่อสร้างคลื่นไมโครเวฟในช่วงความถี่ 2.45 GHz และ 5.8 GHz ซึ่งเป็นคลื่นความถี่ที่ถูกเสนอว่ามีความเหมาะสมในการทะลุทะลวงชั้นบรรยากาศได้ดี สามารถส่งสัญญาณผ่านสภาพภูมิอากาศที่มีพายุฝนหรือก้อนเมฆได้ ซึ่งงานวิจัยพบว่าคลื่นไมโครเวฟสามารถทะลุทะลวงผ่านชั้นบรรยากาศของโลกได้ มีประสิทธิภาพมากกว่าแสงเลเซอร์ โดยคลื่นความถี่ไมโครเวฟต่ำจะสามารถทะลุทะลวงชั้นบรรยากาศได้ดี แต่หากใช้คลื่นความถี่ไมโครเวฟสูงจะสามารถลดขนาดของเสาสัญญาณได้นอกจากนี้ ระบบไมโครเวฟยังสามารถส่งพลังงานกลับสู่โลกได้ในปริมาณมากจากระบบ SBSP ที่มีขนาดใหญ่ในระดับกิกะวัตต์ ซึ่งสามารถให้พลังงานไฟฟ้าเพียงพอต่อความต้องการของเมืองใหญ่ได้เลยทีเดียว

อย่างไรก็ตาม SBSP ที่ใช้ระบบส่งสัญญาณแบบไมโครเวฟจำเป็นต้องพึ่งพาการประกอบในอวกาศเป็นหลัก เนื่องจากเป็นระบบที่มีขนาดใหญ่ และจำเป็นต้องมีการขนส่งโดยการยิงจรวดขึ้นไปยังวงโคจร ทำให้ต้นทุนในการขนส่งสูงกว่าระบบ SBSP แบบเลเซอร์ นอกจากนี้ สถานีรับสัญญาณบนพื้นโลกก็จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่เช่นกัน โดยอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางในระดับกิโลเมตร เพื่อรองรับสัญญาณที่ถูกส่งมาจาก SBSP และทำการจ่ายไฟฟ้าในปริมาณมากเข้าสู่ระบบโครงข่ายไฟฟ้าต่อไป ทั้งนี้ ระบบ SBSP แบบไมโครเวฟอาจถูกพิจารณาให้โคจรอยู่ในระดับความสูง GSO/GEO ซึ่งทำให้การบำรุงรักษาและซ่อมแซมอุปกรณ์ทำได้ยาก เนื่องจากตำแหน่งวงโคจรที่อยู่ไกลกว่าวงโคจร LEO หรือ MEO ทำให้ค่าใช้จ่ายในการส่งอุปกรณ์ซ่อมบำรุงในแต่ละครั้งรวมถึงการส่งบุคลากรในกรณีจำเป็นจะมีราคาสูงกว่า

นอกจากนี้ องค์การพัฒนาอวกาศระดับชาติของญี่ปุ่น (NASDA) ได้มีแนวคิดการใช้ระบบผสมผสาน (Hybrid) ระหว่างระบบแบบไมโครเวฟและเลเซอร์ โดยให้ระบบสถานีอวกาศ/ดาวเทียมระบบหนึ่งอยู่ในวงโคจร GSO/GEO เพื่อส่งสัญญาณเลเซอร์ลงมาที่สถานีอวกาศ/ดาวเทียมอีกระบบหนึ่งซึ่งอยู่ในวงโคจรที่ต่ำกว่า เช่นวงโคจร MEO หรือ LEO เพื่อทำการเปลี่ยนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าและแปลงให้เป็นสัญญาณไมโครเวฟอีกทอดหนึ่ง จากนั้นส่งต่อไปยังสถานีรับสัญญาณ (Rectenna) บนพื้นโลก ทั้งนี้ เพื่อเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของระบบ SBSP ทำให้คลื่นไมโครเวฟสามารถส่งสัญญาณไปยังพื้นโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าแสงเลเซอร์ โดยไม่มีข้อจำกัดด้านสภาพภูมิอากาศ แต่มีต้นทุนที่สูงกว่าและการดูแลรักษาที่ค่อนข้างยุ่งยาก

✅️ 5. สถานีรับสัญญาณบนพื้นผิวโลก (Rectenna)

สถานีรับสัญญาณ (Rectifying Antenna: Rectenna) เป็นระบบที่ประกอบด้วยวงจรเรียงกระแส (Rectifier) และเสารับสัญญาณ (Antenna) ซึ่งจะเปลี่ยนสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกส่งจาก SBSP ไม่ว่าจะในรูปแบบคลื่นไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์ ให้กลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ย่อยต่างๆ ได้แก่

🔸️️ ️️5.1) เสารับสัญญาณ (Receiving Antenna)

🔸️ 5.2) ระบบกรองสัญญาณฮาร์โมนิค (Harmonic Rejection Filter) เพื่อป้องกันการสะท้อนกลับของสัญญาณพลังงานกลับสู่บรรยากาศซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายต่ออุปกรณ์ใกล้เคียง ระบบวงจร Impedance Matching จะช่วยในการปรับค่าความต้านทาน (Impedance) ของเสารับสัญญาณให้เหมาะสมกับสัญญาณที่ส่งจาก Transmitter เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการถ่ายทอดพลังงานและลดการสะท้อนกลับของสัญญาณ

🔸️️ 5.3) วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) ทำหน้าที่แปลงสัญญาณคลื่นวิทยุให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง และมี DC Bypass Filter เพื่อกรองสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ (Pulsating DC Current) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่คงที่

🔸️️ 5.4) ระบบจัดการพลังงาน (Power Management System) ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์จัดการพลังงานและแปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ให้เป็นกระแสสลับ (AC) เพื่อเชื่อมต่อกับระบบโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อแจกจ่ายไปยังผู้บริโภคต่อไป

✅️ 6. ระบบขับเคลื่อน (Propulsion System)

ระบบขับเคลื่อน SBSP เป็นสิ่งจำเป็นในการปรับตำแหน่งและองศาของระบบและแผงโซล่าเซลล์ให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการผลิตไฟฟ้าสูงสุด โดยระบบขับเคลื่อนด้วยพลังไฟฟ้า (Electric Propulsion) สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับระบบ SBSP ได้ โดยสามารถเป็นได้ทั้งแบบ Ion Thruster หรือ Hall Thruster ซึ่งทั้งสองระบบใช้ก๊าซซีนอน (Xenon) เป็นก๊าซขับดัน (Propellant) โดย Ion Thruster จะใช้หลักการสร้างแรงขับดันโดยการเร่งความเร็วของก๊าซซีนอนโดยใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้า ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและไอออนเพื่อสร้างแรงขับเคลื่อนจากการปล่อยลำแสงซีนอนที่เป็นประจุบวกออกมา โดย Ion Thrust สามารถสร้างความเร็วได้ประมาณ 20-50 กม./วินาที และมีประสิทธิภาพประมาณ 60-80% ในขณะที่ Hall Thruster จะใช้ความต่างศักย์จากการสร้างสนามไฟฟ้าในการควบคุมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในการระดมยิงใส่ก๊าซขับดันเพื่อสร้างแรงขับเคลื่อน โดย Hall thruster สามารถสร้างความเร็วได้ประมาณ 10-80 กม./วินาที และมีประสิทธิภาพต่ำกว่าที่ประมาณ 35-60% แต่ต้องการระบบที่มีความซับซ้อนน้อยกว่า Ion thruster

✅️ 7. ระบบระบายความร้อนและเกราะป้องกันรังสี (Radiator and Heat Shield)

สภาพสุญญากาศในอวกาศทำให้การพาความร้อน (Convection) และการนำความร้อน (Conduction) ไร้ซึ่งประสิทธิภาพ ทำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งระบบระบายความร้อน (Radiator) เพื่อดึงความร้อนที่สะสมออกจากระบบ นอกจากนี้ แผงโซล่าเซลล์และอุปกรณ์อื่นๆ ที่หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ตลอดเวลาจะเกิดความร้อนสะสมได้ถึงระดับ 1,000 องศาเซลเซียส จึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาระบบป้องกันความร้อน (Thermal Protection System) ซึ่งอาจทำมาจากแผ่นคาร์บอนคอมโพสิทที่วางอยู่ระหว่างแผ่นคาร์บอนสองแผ่นเคลือบด้วยเซรามิค สามารถป้องกันความร้อนได้ถึง 1,400 องศาเซลเซียส

🚩 แหล่งที่มาของข้อมูลเเละรูปภาพ:

https://www.space.com/26175-peter-glaser-solar-power-satellite-obituary.html

https://www.bbc.com/news/science-environment-62982113

https://spacenews.com/china-to-use-space-station-to-test-space-based-solar-power/

https://www.spacesolar.co.uk

https://en.wikipedia.org/wiki/Space-based_solar_power

https://www.caltech.edu/about/news/space-solar-power-atwater-hajimiri-pellegrino#:~:text=Through%20the%20Space%2Dbased%20Solar,have%20no%20access%20to%20reliable

https://space.nss.org/japan-tackles-clean-energy-from-space/

https://webkc.dede.go.th/testmax/sites/default/files/2022%20Articles%20-%20Space-based%20Solar%20Power%20Station%20%28Final1%29_0.pdf

https://maxpolyakov.com/space-solar-power-as-a-type-of-alternative-energy-source/

https://spaceth.co/lagrangian-point/

https://www.youtube.com/watch?v=pXQGesrQ9YE