لماذا تُظهر بعض المناطق انخفاضًا في اعتماد البالونات الشمسية رغم ارتفاع كمية أشعة الشمس؟

فهم تقنية البالون الشمسي وإمكاناتها في التطبيقات على الارتفاعات العالية

ما هو البالون الشمسي وكيف يستفيد من الطاقة الشمسية؟

تُولِد البالونات الشمسية قوة رفع عندما تسخّن أشعة الشمس الهواء الموجود داخل أغلفتها الشفافة والخفيفة. فيتمدد الهواء الدافئ ويصبح أخف من الهواء المحيط به، وبالتالي ترتفع البالونة تلقائيًا دون الحاجة إلى حرق أي وقود. وتُحسّن الإصدارات الأحدث من هذه الفكرة بإضافة خلايا شمسية مباشرةً على سطح البالونات، حيث تُنتج هذه الخلايا الكهرباء اللازمة لتشغيل أجهزة مثل تتبع نظام تحديد المواقع (GPS)، ومعدات الاتصالات الراديوية، وأجهزة استشعار مختلفة أثناء الطفو في الجو. وأظهرت بعض التجارب أن التصاميم الخاصة بالبالونات الاستراتوسفيرية يمكنها الحصول فعليًا على نحو 500 واط لكل متر مربع من أشعة الشمس عند ذروتها، وفقًا لبحث نُشر عام 2017 من قبل Люو وآخرين. ويؤدي الجمع بين قوة الرفع الناتجة عن الحرارة وتوليد الكهرباء من ضوء الشمس إلى تمكين هذه البالونات من البقاء في الجو لفترات أطول بكثير دون الحاجة إلى تدخل بشري لإعادة التعبئة أو الصيانة.

دور تشكيل صفائف الخلايا الكهروضوئية في المركبات الاستراتوسفيرية

إن مدى كفاءة بالونات الطاقة الشمسية يعتمد حقًا على المكان الذي نضع فيه الألواح الكهروضوئية، مع السعي لتحقيق التوازن المناسب بين توزيع الوزن، وتدفق الهواء حولها، والتأكد من أنها تتلقى قدرًا كافيًا من أشعة الشمس. غالبًا ما يقوم معظم الأشخاص بتركيب خلايا شمسية رقيقة إما على هيئة دوائر لولبية أو بأنماط تشبه البلاط موزعة على الطبقة الخارجية للبالون. ويُساعد هذا الترتيب في تحقيق أقصى قدر من التعرض للشمس دون فرض إجهاد زائد على المادة نفسها. ووفقًا لبعض الدراسات المنشورة في مجلة Renewable Energy عام 2020، فإن توجيه هذه الألواح بزاوية تتراوح بين 15 و20 درجة نحو ارتفاع الشمس الأقصى يزيد من إنتاجيتها في الطاقة بنسبة تتراوح بين 12 و18 بالمئة مقارنةً بوضعها بشكل مسطح فقط. وتُحدث هذا النوع من الخيارات الذكية في التصميم فرقًا كبيرًا في الحفاظ على استمرارية تدفق الطاقة أثناء صعود البالون إلى السماء واستمراره خلال دورات النهار والليل حيث تتغير الإضاءة وأنماط الطقس باستمرار.

مزايا بالونات الطاقة الشمسية مقارنةً بالمنصات الجوية التقليدية

تُعد البالونات الشمسية خيارًا أرخص وأكثر اخضرارًا مقارنة بالأقمار الصناعية باهظة الثمن والطائرات المُسيرة المزعجة التي تعمل بالوقود والتي نراها في كل مكان حاليًا. يمكن لهذه الأشياء أن تطفو على ارتفاعات تتراوح بين 20 و25 كيلومترًا لأسابيع متواصلة، مما يوفر تغطية مستمرة لمراقبة كوكبنا وتتبع التغيرات المناخية، بل وحتى المساعدة في إشارات الاتصالات. وجدت دراسة أجريت العام الماضي أن استخدام البالونات الشمسية يقلل التكاليف بنسبة تقارب 60 بالمئة مقارنة بإرسال الأجهزة إلى المدار الأرضي المنخفض. علاوةً على ذلك، فإنها تطلق ما يقارب 700 غرام أقل من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط ساعة مقارنة بالطائرات المُسيرة التقليدية. ما يجعلها فعّالة بهذا الشكل هو تصميمها البسيط الذي يسمح لها بالانجراف مع تيارات الرياح العالية في طبقة الستراتوسفير، ما يعني أنها لا تحتاج إلى طاقة كبيرة للبقاء في الجو، وبالتالي يزداد عمر تشغيلها قبل الحاجة إلى الصيانة.

عدم التوافق الجغرافي: المناطق ذات الإضاءة الشمسية العالية مع انخفاض نشر البالونات الشمسية

تحديد المفارقة: إشعاع شمسي مرتفع ولكن الاستخدام محدود

على الرغم من أن هذه المناطق تتلقى الكثير من أشعة الشمس، فإن الأماكن القريبة من خط الاستواء والمناطق الصحراوية الجافة، حيث يبلغ متوسط الإضاءة الشمسية اليومية حوالي 5 إلى 6 كيلوواط ساعة لكل متر مربع، لا تمثل سوى أقل من 12 بالمئة من جميع تركيبات البالونات الشمسية في العالم. وهذا يختلف كثيرًا عما نراه على الأرض، حيث تُعتمد المزارع الشمسية التقليدية بنسبة أعلى بحوالي 67٪ في نفس البقع المشمسة. لماذا هذا الفرق الكبير؟ حسنًا، هناك بعض التحديات الحقيقية هنا. فالرياح العالية جدًا يمكن أن تزداد سرعتها أحيانًا لتتجاوز 120 كيلومترًا في الساعة، مما يجعل من الصعب الحفاظ على استقرار البالونات. بالإضافة إلى ذلك، فإن أشعة الشمس في الأسفل شديدة جدًا لدرجة أن الطلاءات الخاصة على الألواح الشمسية تتآكل أسرع بنحو 40٪ مقارنة بالمناطق الأكثر برودة في العالم.

تحليل الإشعاع الشمسي مقابل اتجاهات النشر الحالية

من بين 22 بلداً تحصل على 2800 ساعة من أشعة الشمس سنوياً على الأقل، ثمانية بلدان فقط لديها مشاريع بالونات شمسية حقيقية جارية الآن. معظم هذه البالونات تنتهي في أماكن حول خطوط العرض الوسطى حيث هناك ضوء شمسي لائق ولكن ليس شديد (حوالي 3 إلى 4 كيلوواط في الساعة لكل متر مربع). هذه المناطق تميل إلى الحصول على دعم حكومي أفضل للطاقة المتجددة والأنظمة التقنية القائمة بالفعل لدعم هذه المشاريع. انظروا إلى مواقع الاختبار في هذه المناطق المعتدلة، يحتفظون بالبالونات في الهواء حوالي 85٪ من الوقت على الرغم من أنها تنتج حوالي 18٪ طاقة أقل مقارنة مع الإعدادات المماثلة بالقرب من خط الاستواء. يبدو أن الاستقرار يتولى الأولوية على ضغط كل قطرة من الطاقة الشمسية الممكنة عندما يتعلق الأمر بتطبيقات العالم الحقيقي.

الحواجز التقنية لدمج الطاقة الشمسية الموثوق بها على البالونات

إدارة تقلبات الطاقة خلال دورات الصعود والنهار

انخفض أداء الألواح الضوئية بنحو 47% مع ارتفاعها بسبب سرعة تغير درجات الحرارة وفقاً لأبحاث مختبر الطاقة المتجددة الوطني في عام 2023. هناك على ارتفاع حوالي 20 كيلومترا، على الرغم من أن ضوء الشمس يصبح أقوى بنحو 25٪، تصبح الألواح أقل كفاءة عندما يكون الجو بارد جداً إلى 56 درجة مئوية تحت الصفر للحفاظ على تشغيل الأنظمة المهمة خلال تلك الفترات الصعبة صباحاً ومساءً، يواجه المهندسون تحدياً كبيراً في إدارة تقلبات الجهد التي هي في الواقع أكبر بثلاث مرات مما يحدث في الإعدادات الشمسية العادية القائمة على الأرض. هذا يعني أنه يجب وضع معدات خاصة للتعامل مع هذه التذبذبات الغريبة في طاقة الإخراج بفعالية.

الإجهاد المادي والتدهور الحراري في ظروف الطبقة الدرجة

درجات الحرارة القاسية التي تعاني منها البالونات الصناعية يمكن أن تتأرجح حتى 165 درجة مئوية في يوم واحد فقط، مما يسبب تمدد و تقلص جلد البوليمر تقريبا مرتين في اليوم. كل هذا التوسع والانكماش المستمر يأخذ حقاً ضريبة على المواد. ووفقاً للبحث المنشور في مجلة "مادة الفضاء" العام الماضي، فإنّ التآكل يحدث بسرعة تزيد بأربعة أضعاف مما نراه في الطائرات العادية التي تحلق على ارتفاعات أقل. وهناك مشكلة أخرى أيضاً على ارتفاع حوالي 50,000 قدم حيث تعمل هذه البالونات، الإشعاع فوق البنفسجي قوي بما فيه الكفاية لتكسير تلك الطلاءات الخاصة المضادة للإنعكاس على الخلايا الضوئية بنسبة 32 في المائة أسرع من المعتاد. لمكافحة هذه المشكلة، اضطر المهندسون إلى التحول إلى طبقات زجاجية الكوارتز أقوى. لكن هذه المواد القوية تأتي بتكلفة - إنها تزن 9 كيلوغرامات إضافية لكل متر مربع. هذا الوزن المضاف ليس خبرًا رائعًا لمدى بقاء البالون في الهواء أو كمية البضائع التي يمكن أن يحملها.

التوازن بين الوزن والكفاءة في أنظمة الطاقة الشمسية المحمولة

وفقاً لأبحاث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2022، الألواح الشمسية ذات الأفلام الرقيقة تعمل بشكل أفضل بنسبة 21 في المائة عندما يتعلق الأمر بالطاقة لكل وزن مقارنة بألواح السيليكون التقليدية، مما يجعلها رائعة للأشياء التي تحتاج إلى أن لكن هناك خدعة أنها أشياء هشة جداً للتعامل مع تلك الرياح الجوية المجنونة التي يمكن أن تصل إلى 160 كيلومترا في الساعة، هذه الألواح تحتاج إلى هياكل تعزيز خطيرة. وهنا حيث يواجه المصممون مشكلة حقيقية توفير كيلوغرام واحد فقط من المواد الشمسية عادة يعني إضافة ثلاثة كيلوغرامات إضافية من الوزن كحمولة للحفاظ على استقرار كل شيء. هذا نوعا ما يلغي معظم ما نكتسب من استخدام هذه المواد الجديدة الفاخرة في المقام الأول.

التحديات التحتية والتنظيمية والتشغيلية في النشر

عدم وجود دعم برّيّ لإطلاق وإعادة الاستخدام في المناطق النائية

أفضل أماكن لإطلاق الأشياء تميل إلى أن تكون هذه المناطق الصحراوية النائية أو تلك الهضاب المشمسة حيث هناك الكثير من الضوء ولكن لا شيء تقريباً آخر. معظم هذه الأماكن لا تمتلك طرقًا مناسبة تمر من خلالها، لا يوجد حظائر واقفة حولها، وبالتأكيد ليس هناك ما يكفي من الناس الذين يعرفون ما يفعلونه عندما يتعلق الأمر بإعادة الأشياء بأمان. عندما تحتاج الشركات إلى إنشاء قواعد مؤقتة فقط للعمل هناك، وهذا حقا يأكل في ميزانيتها. نحن نتحدث عن قفزات في التكاليف من 40% إلى 60% لماذا؟ لأنهم يحتاجون إلى معدات خاصة مثل ضاغطات الهيليوم الكبيرة وأنظمة التحكم المبنية لتحمل ظروف الطقس القاسية نظرة حديثة على عمليات الستراتوسفير في 2023 أكدت هذه المشكلة بالضبط. وبدون وجود نوع من البنية التحتية الدائمة بالفعل في مكانها، كل مهمة واحدة ينتهي بها المطاف تكلفة أموال إضافية فقط ل الإعداد وحده. هذا يجعل عمليات التوسع صعبة أكثر مما يريد أي شخص.

لوائح المجال الجوي والقيود المفروضة على الرحلات الجوية عبر الحدود

البالونات الشمسية التي تطير من حوالي 60 ألف إلى ما يقرب من 80 ألف قدم تنتهي في هذا المجال الجوي الصعب حيث تتداخل قوانين الطيران المختلفة. الهيئة الفيدرالية للطيران تسمح ببعض الأشياء التجريبية بموجب الجزء 101 للأشخاص في أمريكا، ولكن في أوروبا وآسيا، تميل الحكومات إلى أن تريد إذن خاص لكل رحلة. محاولة نقل هذه البالونات عبر الحدود تسبب المزيد من الصداع خذ هذا المشروع البيئي في البحر المتوسط كمثال كان عليهم أن يمروا بعمليات الموافقة من ست دول مختلفة واستغرق الأمر منهم ما لا يقل عن 14 شهرا طويلا ليتم ترتيب كل شيء. كل هذه الشريط البيروقراطي يبطئ الأمور عندما تكون هناك حاجة لردود سريعة ويضيف طن من الأعمال الورقية لا أحد يريد التعامل مع.

صعوبات الصيانة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي الكبير والسهولة المنخفضة

الشمس تؤثر بشكل كبير على المواد في المناخات الحارة، مع تدهور الأشعة فوق البنفسجية يحدث بنسبة 30% أسرع مما تقدره المصنعون في الأصل. هذا يعني أن عمر الغلافات الواقية يقلل بشكل كبير عندما يحين الوقت لإصلاحات هذه الألواح الشمسية أو أنظمة تخزين الهيدروجين، تصبح الأمور أكثر تعقيداً لأن هناك مجرد تقنيين غير موهوبين بما فيه الكفاية، بالإضافة إلى أن العديد من الأماكن تفتقر إلى المعدات المناسبة للتفتيش مثل الط ووفقاً لدراسة صناعية من العام الماضي، فإن 6 من كل 10 عمليات إيقاف غير متوقعة تحدث بسبب تأجيل الصيانة في المناطق الجافة. و دعونا لا ننسى كل تلك العواصف الرملية التي تهب عبر هذه المناطق التي تسرع فقط عملية البلى والدموع أكثر من ذلك.

القدرة الاقتصادية على الاستمرار والثغرات السياسية التي تعيق التبني على نطاق واسع

تكاليف أولية مرتفعة مقابل عائد استثماري طويل الأجل

يحتاج نظام البالونات الشمسية المتوسط إلى حوالي 1.2 مليون دولار للبدء وفقاً لبيانات REN21 من عام 2023، وهو ما يزيد عن ضعف تكلفة طائرات مراقبة بدون طيار تقليدية. على الرغم من أن هذه الأنظمة لا تحتاج إلى وقود وتتطلب صيانة أقل بشكل عام، فإنها لا تزال في نهاية المطاف توفر حوالي 40٪ من التكاليف الإجمالية بعد عشر سنوات. لكن هنا المشكلة معظم الهيئات الحكومية والوكالات التنظيمية تميل إلى التركيز على قيودها الميزانية الفورية بدلا من التفكير في تلك المدخرات على المدى الطويل. بالتأكيد، خلاياه الطاقة الشمسية قد انخفضت سعرها بنسبة 90% تقريباً منذ عام 2010، لكن بعض الأجزاء المتخصصة مثل الغلاف المقاوم للهيدروجين وأنظمة التحكم بالطيران الدقيقة تلك تبقى باهظة الثمن لأن الشركات المصنعة لا تصنعها بكميات كبيرة بما فيه

عدم وجود حوافز حكومية لمنصات جوية متجددة

فقط حوالي 12 في المائة من الدول التي تفتخر بمناطق الطاقة الشمسية من الفئة A توفر في الواقع تخفيضات ضريبية لنشر البالونات الشمسية، في حين أن حوالي ثلثي الدول تقدم دعما ماليا للتركيبات الشمسية التقليدية المثبتة على الأرض السبب وراء هذه الفجوة؟ معظم لوائح الطيران تستمر في معاملة البالونات الشمسية كأدوات تجريبية بدلاً من البنية التحتية المشروعة. يواجه المصنعون تحديات خطيرة هنا لأنهم لا يحصلون على تمويل للبحث أو فوائد ضريبية على الإنتاج مماثلة لما يحصل عليه مصنعو توربينات الرياح ومنتجو الألواح الشمسية التقليدية. هذا النقص في الدعم المالي يجعل من الصعب حقا للشركات التي تحاول زيادة أحجام التصنيع أو خفض الأسعار من خلال اقتصادات الحجم.

دراسة حالة: طيار بالونات شمسية فاشل في أفريقيا جنوب الصحراء

مشروع مراقبة الجفاف الذي أطلق في مالي في عام 2022 مع خطط لـ 18 بالون شمسي انتهى به المطاف بعد ثمانية أشهر فقط بسبب كل أنواع المشاكل. ضغطت سلطات الجمارك رسوماً تصل قيمتها إلى 740 ألف دولار على تلك المواد المكونة الفاخرة التي كان علينا استيرادها، مما أدى إلى استنزاف ميزانيتنا. و عندما بدأت الأمور تتحطم؟ لم يكن هناك أي فني محلي يعرف كيف يصلح خلايا الهيدروجين، لذا كانت المشكلة تترتب على الأخرى. علاوة على ذلك، قواعد الطيران الصارمة تعني أننا لم نتمكن من تغطية سوى حوالي 30% من ما أردنا رصده في الأصل. في نهاية اليوم، كل هذه الفوضى كلفت حوالي 2.6 مليون دولار. ماذا يعلمنا؟ المال وحده ليس كافياً حتى لو كانت الشمس تشرق بشكل مشرق كل يوم في هذه الأجزاء نحتاج إلى تخطيط أفضل بين الوكالات المختلفة، وبرامج تدريب مناسبة للمواطنين المحليين، ولوائح أكثر ذكاء تعمل بالفعل مع المشاريع على الأرض بدلاً من ضدها.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي المزايا الرئيسية للبالونات الشمسية؟

تقدم البالونات الشمسية بديلاً اقتصاديًا وصديقًا للبيئة مقارنة بالمنصات الجوية التقليدية مثل الأقمار الصناعية والطائرات المُسيرة. يمكنها توفير تغطية مستمرة لمراقبة المناخ والاتصالات بتكلفة أقل مع إنتاج كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون.

أين تُنشر البالونات الشمسية عادةً؟

غالبًا ما تُنشر البالونات الشمسية في المناطق ذات العرض المتوسط، والتي توفر توازنًا بين أشعة الشمس والاستقرار. وعادةً ما تتلقى هذه المناطق دعمًا حكوميًا أفضل للمشاريع الخاصة بالطاقة المتجددة، كما تمتلك بنية تحتية تقنية قائمة.

ما التحديات التي تواجه نشر البالونات الشمسية في المناطق ذات الإضاءة العالية؟

في المناطق ذات الإضاءة العالية، تواجه عملية نشر البالونات الشمسية تحديات مثل سرعات الرياح العالية التي تؤثر على الاستقرار، وشدة أشعة الشمس التي تؤدي إلى تدهور أسرع للمواد. وتساهم هذه العوامل في الحد من استخدام البالونات الشمسية في مثل هذه المناطق.

لماذا تُعتبر البالونات الشمسية تجريبية؟

غالبًا ما تُصنف البالونات الشمسية على أنها تجريبية بسبب التداخل في اللوائح الجوية وانعدام الحوافز الحكومية المشابهة لتلك الخاصة بالتكنولوجيات المتجددة التقليدية، مما يؤدي إلى عقبات أمام الاعتماد الواسع النطاق.