Cableless Power Transmission System: Problems and Prospects

على مدى أكثر من قرن، اعتمدت طريقة نقلنا للكهرباء على حقيقة بسيطة لا تتزعزع: الطاقة تنتقل عبر سلك. سواء كان كبلاً نحاسياً معلقاً بين الأبراج، أو خطاً ثقيلاً مدفوناً تحت المحيط، أو سلكاً مرناً متصلاً بسيارة كهربائية، فإن الموصل هو الجسر الأساسي بين مصدر الطاقة والجهاز الذي يحتاجها. يعمل هذا النظام بشكل جيد، لكنه أيضاً هش ومكلف. فالكابلات تستهلك، وتتعرض للقطع، أو تتطلب مساحات شاسعة من الأراضي والبحار لمدها. وهي الجزء الأكثر عرضة للفشل في الشبكة، وغالباً ما تفوق تكلفة بنائها تكلفة الكهرباء التي تحملها. لطالما حلم العلماء بطريقة مختلفة: إرسال الطاقة عبر الهواء، أو الماء، أو حتى فراغ الفضاء دون أي اتصال مادي. هذه الفكرة، المعروفة بنقل الطاقة اللاسلكي، انتقلت من عالم الخيال العلمي إلى الهندسة الحقيقية، مع وجود أجهزة تشحن الهواتف لاسلكياً وتجارب لبث الطاقة من الأقمار الصناعية. ومع ذلك، ورغم كل هذا الحماس، ظل هذا المجال عبارة عن مجموعة من الدراسات المنعزلة، حيث ركزت كل منها على طريقة محددة دون تقديم صورة واضحة لكيفية مقارنتها ببعضها البعض أو أين يمكن أن تنجح فعلياً.

تقدم دراسة جديدة أجراها محمد علي في جامعة أتلانتيك الدولية هذه القطع المتناثرة في إطار موحد وشامل. فقد سعى الباحث إلى رسم خارطة كاملة للمشهد اللاسلكي، معتبراً إياه ليس مجرد تقنية واحدة، بل عائلة من الطرق المختلفة التي تتصرف بطرق متباينة اعتماداً على المسافة ونوع الطاقة المستخدمة. وتفصل الورقة هذه الطرق إلى مجموعتين رئيسيتين: تلك التي تعمل عبر مسافات قصيرة، حيث تقفز الطاقة عبر فجوة صغيرة مثل "مصافحة مغناطيسية"، وتلك التي تعمل عبر مسافات طويلة، حيث تُبث الطاقة مثل شعاع الليزر أو موجات الراديو. ومن خلال بناء نموذج متسق لاختبار جميع هذه الطرق، تكشف الدراسة بدقة عن المدى الذي يمكن أن تصل إليه كل طريقة، وكمية الطاقة المفقودة في الطريق، وما هي التكلفة الفعلية لبنائها. والنتائج جاءت واقعية ومثبطة في آن واحد؛ فهي تظهر أنه بينما يعد نقل الطاقة اللاسلكي حلاً ناضجاً وموثوقاً للمهام قصيرة المدى مثل شحن المركبات الكهربائية، فإنه يواجه حواجز فيزيائية واقتصادية شديدة عندما يتعلق الأمر باستبدال الكابلات التقليدية لخطوط الطاقة طويلة المدى.

تبدأ الدراسة بتوضيح الحدود الأساسية لكيفية انتقال الطاقة عبر الفضاء. بالنسبة للمسافات القصيرة، مثل شحن سيارة متوقفة فوق منصة شحن، يعتمد النظام على مجالات مغناطيسية تربط ملفين معاً. وتؤكد الأبحاث أن هذا الاتصال حساس للغاية للمسافة؛ حيث تنخفض قوة الرابط بسرعة مع اتساع الفجوة، مما يعني أنه للحفاظ على كفاءة النقل، يجب أن يكون جهاز الشحن وجهاز الاستقبال في السيارة قريبين جداً من بعضهما. وتظهر عمليات المحاكاة أنه بالنسبة لمنصة شحن ذات حجم قياسي، لا يمكن أن تتجاوز الفجوة حوالي 22 سنتيمتراً إذا كان الهدف هو الحفاظ على كفاءة عالية. وإذا حاولت زيادة المسافة أكثر، تنهار عملية نقل الطاقة ويصبح النظام غير عملي. وهذا يفسر لماذا يعمل الشحن اللاسلكي للسيارات بشكل جيد في المرآب، لكن لا يمكن استخدامه لشحن مركبة أثناء سيرها على الطريق السريع من مسافة بعيدة. كما تسلط الدراسة الضوء على أنه حتى عندما تكون المسافة قصيرة، يجب ضبط النظام بعناية لتجنب ظاهرة تعثر أو انقسام تدفق الطاقة، وهي مشكلة تتطلب إلكترونيات ذكية لحلها.

وعندما تزديزد المسافة لتتجاوز بضعة أمتار، يجب أن يتغير النهج تماماً. فلا يمكن للطاقة أن تعتمد بعد ذلك على "المصافحة المغناطيسية"؛ بل يجب تركيزها في حزمة ضيقة، تماماً مثل شعاع المصباح اليدوي، وإرسالها عبر الهواء. وتحلل الورقة طريقتين رئيسيتين للقيام بذلك: استخدام الموجات الدقيقة (الميكروويف) أو استخدام الليزر. وتكشف عمليات المحاكاة أنه لكي تتمكن حزمة من الموجات الدقيقة من السفر لمسافة 10 كيلومترات والتقاط 98 بالمائة من الطاقة عند طرف الاستقبال، يجب أن تكون الهوائيات المرسلة والمستقبلة ضخمة، حيث يبلغ قطرها حوالي 36 متراً. هذا ليس مكوناً صغيراً، بل هو هيكل ضخم يهيمن على تكلفة المشروع. علاوة على ذلك، تظهر الدراسة أنه حتى مع هذه الهوائيات العملاقة، تنخفض الكفاءة الإجمالية للنظام — من محطة الطاقة إلى الجهاز النهائي — إلى حوالي 51 بالمائة. وهذا يعني أن نصف الطاقة تقريباً يُفقد في عملية تحويل الكهرباء إلى حزمة، وإرسالها، ثم تحويلها مرة أخرى. وفي المقابل، فإن كبلاً نحاسياً تقليدياً عبر المسافة نفسها لن يفقد سوى جزء ضئيل جداً من الطاقة، ربما يتراوح بين 1 إلى 3 بالمائة.

إن الواقع الاقتصادي لهذه النتائج صارخ. فقد وضع الباحث نموذج تكلفة مفصلاً لمقارنة رابط لاسلكي مقابل كبل بحري في سيناريو محدد: وهو إيصال واحد ميجاوات من الطاقة إلى منشأة في جزيرة تبعد 10 كيلومترات عن الشاطئ. وتظهر النتائج أن الكبل البحري أرخص بنحو الضعف في التشغيل على مدار عمره الافتراضي. فالخيار اللاسلكي يكلف أكثر للبناء، ويتطلب معدات أغلى للتعامل مع فقدان الطاقة، ويتسبب في تكالفي صيانة مستمرة أعلى. والسبب الوحيد لاختيار الخيار اللاسلكي في هذه الحالة هو إذا كان مسار الكبل مستحيلاً من الناحية الفيزيائية للبناء، أو إذا كان لا يمكن إصلاح الكبل بسرعة كافية. وتشير الدراسة إلى أنه رغم كون الرابط اللاسلكي أكثر تكلفة، إلا أنه يوفر ميزة فريدة: إذا انقطع، يمكن إصلاحه في غضون أيام بدلاً من الأسابيع أو الأشهر التي يستغرقها إصلاح كبل بحري تالف. وهذات سرعة الإصلاح تجعل الخيار اللاسلكي حلاً متخصصاً للمواقف الصعبة أو المؤقتة، حتى لو لم يكن قادراً على استبدال شبكة الطاقة الرئيسية.

وبعيداً عن الأرقام، تتناول الورقة العقبات التنظيمية والأمنية التي غالباً ما يتم تجاهلها. فإرسال حزم عالية القدرة عبر الهواء يثير مخاوف بشأن تعرض البشر للإشعاع. وتحسب الدراسة أنه بالنسبة لجهاز إرسال يعمل بالموجات الدقيقة بقدرة عالية، يجب تسييج منطقة استبعاد كبيرة لضمان عدم إلحاق الطاقة المتسربة الضرر بالناس أو الحيوانات القريبة. وبالنسبة لحزم الليزر، فإنها تشكل خطراً على العين والجلد، مما يتطلب ضوابط صارمة. وتشير الأبحاث إلى أن اللوائح الحالية، التي وُضعت لإشارات الاتصالات وليس لنقل الطاقة، تخلق حالة من عدم اليقين للمهندسين. وبدون قواعد واضحة ومكان مخصص في طيف الراديو لبث الطاقة، يصعب على الشركات تمويل وبناء هذه الأنظمة. وتجادل الدراسة بأنه ما لم يتم وضع هذه الأطر التنظيمية، ستظل مشاريع الطاقة اللاسلكية واسعة النطاق عالية المخاطر بالنسبة للمستثمرين.

وبالنظر نحو المستقبل، ترسم الورقة خارطة طريق للمجالات التي يمكن أن تذهب إليها هذه التقنية بشكل واقعي. على المدى القصير، يعد نقل الطاقة اللاسلكي نجاحاً بالفعل للإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية، حيث المسافات قصيرة وتكون قيمة التخلص من القابس ملموسة. وعلى المدى المتوسط، يمكنها تزويد الطائرات بدون طيار والمستشعرات بالطاقة في المناطق النائية، أو جسر الفجوات عبر التضاريس الصعبة مثل الوديان أو الأراضي الملوثة. ومع ذلك، فإن حلم الطاقة الشمسية الفضائية، حيث تقوم الأقمار الصناعية ببث الطاقة من المدار إلى الأرض، يواجه التحديات الأكثر جسامة. وتظهر عمليات المحاكاة أن الهوائيات المطلوبة لالتقاط الطاقة من الفضاء ستحتاج لأن تكون بعرض كيلومترات، كما أن تكلفة إطلاق مثل هذه الهياكل الضخمة إلى المدار لا تزال باهظة. وبينما تعمل فيزياء بث الطاقة من الفضاء، إلا أن الجانب الاقتصادي لم ينضج بعد.

في نهاية المطاف، تعد هذه الدراسة بمثابة "فحص للواقع" ضروري لمجال مدفوع غالباً بالتفاؤل. فهي تؤكد أن الطاقة اللاسلكية ليست بديلاً سحرياً للأسلاك؛ فهي لا تستطيع نقل كميات ضخمة من الكهرباء عبر القارات أو المحيطات بكفاءة أكبر مما يفعل الكبل. بدلاً من ذلك، هي أداة متخصصة لمشاكل محددة حيث تكون الأسلاك مكلفة للغاية، أو خطيرة جداً، أو مستحيلة التركيب ببساًطة. إن هذه التقنية جاهزة للتطبيقات قصيرة المدى التي نراها بالفعل، وتحمل وعوداً للاستخدامات طويلة المدى المتخصصة حيث تهم تكلفة المسار أكثر من تكلفة الطاقة المفقودة. ومن خلال فصل الفيزياء عن المبالغات وتقديم طريقة موحدة لمقارنة التكاليف والكفاءات، تمنح هذه الأبحاث المهندسين وصناع القرار الأدوات اللازمة لتحديد أين تنتمي الطاقة اللاسلكية وأين لا تنتمي. إن الطريق إلى الأمام ليس في استبدال الشبكة، بل في إيجاد الأماكن الصعبة والمحددة التي يكون فيها الرابط اللاسلكي هو الحل الوحيد الذي يبدو منطقياً.