قبل عام واحد، انطلق متظاهر / محاكي الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى الفضاء لعرض واختبار ثلاثة ابتكارات تكنولوجية تعتبر من بين تلك الابتكارات الضرورية لجعل الطاقة الشمسية الفضائية حقيقة واقعة. أظهرت المهمة ثلاثة عناصر من خطة إرسال الطاقة الشمسية من الفضاء إلى الأرض.
أثبتت منصة الاختبار المحمولة في الفضاء القدرة على بث الطاقة لاسلكيًا في الفضاء؛ وقام بقياس كفاءة ومتانة ووظيفة مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا الشمسية المختلفة في الفضاء؛ وقدمت تجربة واقعية لتصميم هيكل خفيف الوزن وقابل للنشر لتوصيل الخلايا الشمسية وأجهزة إرسال الطاقة المذكورة أعلاه والاحتفاظ بها.
الآن، مع انتهاء مهمة متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) في الفضاء، يحتفل المهندسون على الأرض بنجاحات الاختبار ويتعلمون دروسًا مهمة من شأنها أن تساعد في رسم مستقبل الطاقة الشمسية الفضائية.
قال توماس روزنباوم أستاذ الفيزياء ورئيس معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “إن الطاقة الشمسية المنبعثة من الفضاء بأسعار تجارية، لإضاءة الكرة الأرضية، لا تزال احتمالًا مستقبليًا. لكن هذه المهمة الحاسمة أظهرت أنها قد تكون مستقبلًا قابلًا للتحقيق”.
يمثل متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) معلمًا رئيسيًا في المشروع الذي كان قيد التنفيذ منذ أكثر من عقد من الزمن، وحظي باهتمام دولي كخطوة ملموسة وعالية المستوى إلى الأمام بالنسبة للتكنولوجيا التي تتبعها العديد من الدول. تم إطلاقه في 3 يناير / كانون الثاني 2023 على متن مركبة الفضاء مومنتس فيغوريد (Momentus Vigoride) كجزء من مشروع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا “الطاقة الشمسية الفضائية” (SSPP)، بقيادة الأساتذة هاري أتواتر وعلي هاغيميري وسيرجيو بيليغرينو. ويتكون المشروع من ثلاث تجارب رئيسية، كل منها يختبر تقنية مختلفة:
- دولسي (DOLCE): اختصار لعبارة “تجربة مركبة خفيفة للغاية قابلة للنشر على المدار”، وهي عبارة عن هيكل يبلغ طوله 1.8 مترًا وعرضه 1.8 مترًا يوضح الهندسة المعمارية الجديدة ونظام التغليف وآليات النشر للمركبة الفضائية المعيارية القابلة للتطوير والتي ستشكل في النهاية كوكبة بحجم كيلومتر لتكون بمثابة محطة طاقة.
- ألبا (ALBA): مجموعة من 32 نوعًا مختلفًا من الخلايا الكهروضوئية لتمكين تقييم أنواع الخلايا التي يمكنها تحمل البيئات الفضائية القاسية.
- مابل (MAPLE): هو اختصار لعبارة صفيف الموجات الدقيقة لتجربة المدار المنخفض لنقل الطاقة، وهي مجموعة من أجهزة إرسال طاقة الموجات الدقيقة المرنة وخفيفة الوزن استنادًا إلى دوائر متكاملة مخصصة مع تحكم دقيق في التوقيت لتركيز الطاقة بشكل انتقائي على جهازي استقبال مختلفين لإثبات نقل الطاقة اللاسلكية عن بعد في الفضاء .
يقول البروفيسور أتواتر: “ليس الأمر أننا لا نملك ألواحًا شمسية في الفضاء بالفعل. تُستخدم الألواح الشمسية لتشغيل محطة الفضاء الدولية، على سبيل المثال. ولكن لإطلاق ونشر مصفوفات كبيرة بما يكفي لتوفير طاقة مفيدة للأرض، يتعين على مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) تصميم وإنشاء أنظمة نقل طاقة الطاقة الشمسية خفيفة الوزن للغاية ورخيصة الثمن ومرنة وقابلة للنشر.
دولسي (DOLCE): نشر الهيكل
على الرغم من أن جميع التجارب التي أجريت على متن متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) كانت ناجحة في نهاية المطاف، إلا أن كل شيء لم يسير وفقًا للخطة. لكن بالنسبة للعلماء والمهندسين الذين يقودون هذا الجهد، كان هذا هو الهدف بالضبط. أتاحت بيئة الاختبار الأصلية لمتظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) فرصة لتقييم كل مكون من المكونات، وسيكون للأفكار المستمدة من هذا تأثير عميق على تصميمات مصفوفة الطاقة الشمسية الفضائية المستقبلية.
على سبيل المثال، أثناء نشر دولسي (DOLCE) – الذي كان من المفترض أن تكون عملية تستغرق من ثلاثة إلى أربعة أيام – تعطل أحد الأسلاك التي تربط أذرع الرافعة القطرية بزوايا الهيكل، مما سمح لها بالانبساط. أدى هذا إلى توقف النشر وإتلاف الاتصال بين أحد أذرع التطويق والهيكل.
ومع مرور الوقت، استخدم الفريق كاميرات دولسي (DOLCE) بالإضافة إلى نموذج عمل واسع النطاق من دولسي (DOLCE) في مختبر البروفيسور بيليغرينو لتحديد المشكلة ومحاولة حلها. لقد أثبتوا أن النظام التالف سوف ينتشر بشكل أفضل عندما يتم تسخينه مباشرة بواسطة الشمس وأيضًا بواسطة الطاقة الشمسية المنعكسة عن الأرض.
بمجرد نشر أذرع التطويل القطرية وفك الهيكل بالكامل، ظهر تعقيد جديد: أصبح جزء من الهيكل محشورًا تحت آلية النشر، وهو أمر لم يسبق له مثيل في الاختبارات المعملية. وباستخدام صور من كاميرات دولسي (DOLCE)، تمكن الفريق من إعادة إنتاج هذا النوع من التشويش في المختبر ووضع استراتيجية لإصلاحه. في النهاية، أكمل بيليجرينو وفريقه عملية النشر من خلال حركة مشغلات دولسي (DOLCE) التي هزت الهيكل بأكمله وحررته من الانحشار. ويقول بيليغرينو إن الدروس المستفادة من هذه التجربة ستشكل آلية النشر التالية.
وأشار البروفيسور بيليغرينو إلى أن “اختبار الفضاء أظهر قوة للمفهوم الأساسي، والذي سمح لنا بتحقيق نشر ناجح على الرغم من وجود حالتين شاذتين. لقد أعطتنا عملية استكشاف الأخطاء وإصلاحها العديد من الأفكار الجديدة وركزتنا بشدة على العلاقة بين هيكلنا المعياري وأذرع التطويل القُطرية. لقد قمنا بتطوير طرق جديدة لمواجهة تأثيرات الوزن الذاتي في الهياكل القابلة للنشر خفيفة الوزن.
ألبا (ALBA): حصاد الطاقة الشمسية
وفي الوقت نفسه، تم قياس الأداء الكهروضوئي لثلاث فئات جديدة تمامًا من الخلايا الشمسية خفيفة الوزن المخصصة للبحث، والتي لم يتم اختبار أي منها في المدار من قبل، على مدار أكثر من 240 يومًا من التشغيل من قبل فريق ألبا (ALBA)، بقيادة أتواتر. تم تصنيع بعض الخلايا الشمسية خصيصًا باستخدام مرافق في مختبرات مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) ومعهد كافلي لعلوم النانو (KNI) في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، مما أعطى الفريق طريقة موثوقة وسريعة للحصول على أجهزة صغيرة متطورة جاهزة للطيران بسرعة. في العمل المستقبلي، يخطط الفريق لاختبار خلايا ذات مساحة كبيرة مصنوعة باستخدام طرق تصنيع غير مكلفة وقابلة للتطوير بدرجة كبيرة والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من كتلة وتكلفة هذه الخلايا الشمسية الفضائية.
عادةً ما تكون الخلايا الشمسية الفضائية المتوفرة تجاريًا حاليًا أغلى 100 مرة من الخلايا والوحدات الشمسية المنتشرة على نطاق واسع على الأرض. وذلك لأن تصنيعها يستخدم خطوة مكلفة تسمى النمو الفوقي، حيث يتم زراعة الأفلام البلورية في اتجاه محدد على الركيزة. حقق فريق الخلايا الشمسية في مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) خلايا فضائية غير محورية منخفضة التكلفة باستخدام عمليات إنتاج رخيصة وقابلة للتطوير مثل تلك المستخدمة في صنع خلايا السيليكون الشمسية اليوم. تستخدم هذه العمليات مواد شبه موصلة مركبة عالية الأداء، مثل زرنيخيد الغاليوم، والتي تُستخدم عادةً لصنع خلايا فضائية عالية الكفاءة اليوم.
اختبر الفريق أيضًا خلايا البيروفسكايت، التي جذبت انتباه الشركات المصنعة للطاقة الشمسية لأنها رخيصة الثمن ومرنة، ومكثفات الطاقة الشمسية المضيئة مع إمكانية نشرها في صفائح بوليمر مرنة كبيرة.
على مدار عمر ألبا (ALBA)، جمع الفريق ما يكفي من البيانات ليتمكن من مراقبة التغيرات في عمل الخلايا الفردية استجابةً لأحداث الطقس الفضائي مثل التوهجات الشمسية والنشاط المغنطيسي الأرضي. فقد وجدوا، على سبيل المثال، تباينًا هائلًا في أداء خلايا البيروفسكايت، في حين كان أداء خلايا زرنيخيد الغاليوم منخفضة التكلفة جيدًا بشكل عام.
يقول أتواتر: “لقد منحنا مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) فرصة فريدة لأخذ الخلايا الشمسية مباشرة من المختبر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى المدار، مما أدى إلى تسريع الاختبارات في الفضاء التي كانت تستغرق عادةً سنوات لإتمامها. إن هذا النوع من النهج قد أدى إلى تقصير كبير في وقت دورة الابتكار لتكنولوجيا الطاقة الشمسية الفضائية”.
مابل (MAPLE): نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء
أخيرًا، كما تم الإعلان عنه في يونيو / حزيران، أثبتت مابل (MAPLE) قدرتها على نقل الطاقة لاسلكيًا في الفضاء وتوجيه شعاع إلى الأرض – وهو الأول من نوعه في هذا المجال. استمرت تجارب مابل (MAPLE) لمدة ثمانية أشهر بعد العروض التوضيحية الأولية، وفي هذا العمل اللاحق، دفع الفريق مابل (MAPLE) إلى أقصى حدوده لكشف وفهم نقاط ضعفه المحتملة بحيث يمكن تطبيق الدروس المستفادة على التصميم المستقبلي.
قارن الفريق أداء المصفوفة في وقت مبكر من المهمة مع أدائها في نهاية المهمة، عندما تم الضغط على مابل (MAPLE) عمدًا. وقد لوحظ انخفاض في إجمالي الطاقة المرسلة. بالعودة إلى المختبر على الأرض، أعادت المجموعة إنتاج انخفاض الطاقة، وأرجعته إلى تدهور عدد قليل من عناصر الإرسال الفردية في المصفوفة، بالإضافة إلى بعض التفاعلات الكهربائية الحرارية المعقدة في النظام.
وأشار البروفيسور هاغيميري أستاذ الهندسة الكهربائية والهندسة الطبية والمدير المشارك لمشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP)، إلى أن “هذه الملاحظات أدت بالفعل إلى مراجعات في تصميم عناصر مختلفة من مابل (MAPLE) لتعظيم أدائها على مدى فترات طويلة من الزمن. لقد منحنا الاختبار في الفضاء باستخدام متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) مزيدًا من الرؤية لنقاطنا العمياء والمزيد من الثقة في قدراتنا.
بدأ برنامج مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) بعد أن علم المحسن دونالد برين، رئيس مجلس إدارة إيرفين (Irvine Company) وعضو مدى الحياة في مجتمع معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، لأول مرة عن إمكانية تولید الطاقة الشمسية في الفضاء عندما كان شابًا في مقال في مجلة بوبيولار ساينس (Popular Science). ومع افتتانه بإمكانيات الطاقة الشمسية الفضائية، تواصل برين مع رئيس معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا آنذاك جان لو شامو في عام 2011 لمناقشة إنشاء مشروع بحثي للطاقة الشمسية في الفضاء. في السنوات التالية، وافق برين وزوجته بريجيت برين، أحد أمناء معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، على تقديم سلسلة من التبرعات (بإجمالي التزام يزيد عن 100 مليون دولار) من خلال مؤسسة دونالد برين لتمويل المشروع.
قال السيد برين: “لقد أدى العمل الجاد والتفاني الذي قام به العلماء اللامعون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى تعزيز حلمنا بتزويد العالم بقدرة وفيرة وموثوقة وبأسعار معقولة لصالح البشرية جمعاء”.
بالإضافة إلى الدعم الذي تلقته من آل برين، قامت شركة نورثروب غرومان (Northrop Grumman Corporation) بتزويد معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بمبلغ 12.5 مليون دولار بين عامي 2014 و2017 من خلال اتفاقية بحث مدعومة ساعدت في تطوير التكنولوجيا وتطوير العلوم في المشروع.
مع إنهاء متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) لمهمته، أوقف الاختبار الاتصالات مع الأرض في 11 نوفمبر / تشرين الثاني. ستبقى مركبة فيغوريد 5 (Vigoride-5) التي استضافت المتظاهر في المدار لدعم الاختبار المستمر وعرض محركات الدفع الحرارية الكهروحرارية التي تعمل بالموجات الدقيقة للمركبة والتي تستخدم الماء المقطر. كمادة دافعة. وسوف يخرج في النهاية من مداره ويتفكك في الغلاف الجوي للأرض.
وفي الوقت نفسه، يواصل فريق مشروع الطاقة الشمسية الفضائية (SSPP) العمل في المختبر، ودراسة التعليقات الواردة من متظاهر الطاقة الشمسية الفضائية (SSPD-1) لتحديد المجموعة التالية من التحديات البحثية الأساسية التي يتعين على المشروع معالجتها.
0 تعليق