يعد SSPD-1 من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا فكرة جديدة للطاقة الشمسية الفضائية

إن فكرة تزويد الحضارة بالطاقة من محطات الطاقة الشمسية العملاقة الموجودة في المدار هي فكرة أقدم من أي برنامج فضائي، ولكن على الرغم من سبعة عقود من علم الصواريخ، فإن المفهوم – جمع ضوء الشمس شبه الثابت على بعد عشرات الآلاف من الكيلومترات فوق خط الاستواء، وإرساله إلى الأرض كموجات ميكروويف وتحويلها إلى كهرباء – لا يزال هذا الأمر يلوح في الأفق. لقد ألقت العديد من التحليلات العميقة التي تم نشرها مؤخرًا بتكليف من وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية الماء البارد على أمل أن تتمكن الطاقة الشمسية الفضائية من توليد العديد من الجيغاواط من الطاقة النظيفة في المستقبل القريب. ومع ذلك فإن الحلم لا يزال قائما.

حقق الحلم نوعًا من الإقلاع في يناير 2023. وذلك عندما انطلق SSPD-1، وهو قمر صناعي تجريبي للطاقة الشمسية الفضائية يحمل مجموعة من التقنيات الجديدة المصممة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، في مدار أرضي منخفض لمدة عام كامل. مهمة. وإدراكًا للمخاوف بشأن الجدوى الفنية للتجميع الآلي للأقمار الصناعية في الفضاء، كل منها أكبر من محطة الفضاء الدولية، كان فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يبحث في طرق مختلفة تمامًا للطاقة الشمسية الفضائية.

للحصول على تحديث حول ما حققته مهمة SSPD-1 وكيف ستشكل المفاهيم المستقبلية لأقمار الطاقة الشمسية الفضائية، IEEE الطيف تحدث مع علي هاجيميري، زميل IEEE، وأستاذ الهندسة الكهربائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، والمدير المشارك لمشروع الطاقة الشمسية الفضائية في المدرسة. تم تكثيف المقابلة وتحريرها من أجل الطول والوضوح.

طار SSPD-1 بعدة منصات اختبار مختلفة. لنبدأ مع اختبار MAPLE (مصفوفة الميكروويف لتجربة المدار المنخفض لنقل الطاقة) لنقل الطاقة لاسلكيًا: عندما صعدت أنت وفريقك إلى سطح المبنى الخاص بكم في الحرم الجامعي في مايو 2023 ووجهتم هوائياتكم نحو المكان الذي كان يمر فيه القمر الصناعي، هل التقطت أجهزتكم الطاقة الفعلية التي يتم إرسالها للأسفل أم مجرد إشارة تشخيصية؟

علي هاجيميري هو المدير المشارك لمشروع الطاقة الشمسية الفضائية التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

علي الهاجيميري: أود أن أسميها الكشف. كان الغرض الأساسي من تجربة MAPLE هو إظهار نقل الطاقة لاسلكيًا في الفضاء باستخدام هياكل مرنة وخفيفة الوزن وأيضًا دوائر CMOS المتكاملة القياسية. على جانب واحد توجد الهوائيات التي تنقل الطاقة، وعلى الجانب الآخر توجد شرائح CMOS المخصصة لدينا والتي تعد جزءًا من إلكترونيات نقل الطاقة. الهدف من هذه الأشياء هو أن تكون خفيفة الوزن للغاية، لتقليل تكلفة الإطلاق إلى الفضاء، وأن تكون مرنة جدًا للتخزين والنشر، لأننا نريد تغليفها وفكها مثل الشراع.

أرى – لفها لتتناسب مع الصاروخ ثم قم بفكها وتمديدها بشكل مسطح بمجرد إطلاقها في المدار.

هاجيميري: كان الهدف الأساسي لـ MAPLE هو إثبات أن هذه المصفوفات ذات المظهر الواهية والدوائر المتكاملة CMOS يمكن أن تعمل في الفضاء. وليس هذا فحسب، بل يمكنهم توجيه نقل الطاقة اللاسلكية إلى أهداف مختلفة في الفضاء، وأجهزة استقبال مختلفة. وأعني بنقل الطاقة صافي الطاقة الخارجة من جانب جهاز الاستقبال. لقد أظهرنا نقل الطاقة في الفضاء، وقمنا بالكثير من القياسات. نحن نكتب التفاصيل الآن وسننشر تلك النتائج.

أما الجزء الثاني من هذه التجربة، وهو في الواقع هدف ممتد، فكان إظهار القدرة على توجيه الشعاع إلى المكان الصحيح على الأرض ومعرفة ما إذا كنا قد التقطنا مستويات الطاقة المتوقعة. الآن، كلما كانت مجموعة النقل أكبر في الفضاء، زادت القدرة على تركيز الطاقة على نقطة أصغر على الأرض.

صحيح، لأن حيود الشعاع يحد من حجم البقعة، كدالة لحجم المرسل وتردد الموجات الدقيقة.

هاجيميري: نعم. كانت المصفوفة التي كانت لدينا في الفضاء لـ MAPLE صغيرة جدًا. ونتيجة لذلك، قام جهاز الإرسال بتوزيع الطاقة على مساحة كبيرة جدًا. لذا فقد استحوذنا على جزء صغير جدًا من الطاقة، ولهذا أسميها الكشف؛ لم تكن قوة إيجابية صافية. لكننا قمنا بقياسها. أردنا أن نرى: هل نحصل على ما نتوقعه من حساباتنا؟ ووجدنا أنها كانت في النطاق الصحيح لمستويات الطاقة التي توقعناها من تجربة كهذه.

لذلك، يمكن مقارنتها من حيث القوة بالإشارات التي تنزل في عمليات الاتصالات الفضائية القياسية.

هاجيميري: ولكن تم ذلك باستخدام هذا النظام المرن خفيف الوزن، وهذا ما يجعله أفضل. يمكنك أن تتخيل تطوير الجيل القادم من أقمار الاتصالات الصناعية أو أجهزة الاستشعار الفضائية التي يتم بناؤها باستخدام هذه الأقمار الصناعية لجعل النظام أرخص وأخف وزنًا وأسهل في النشر. الأقمار الصناعية المستخدمة الآن لـStarlink وKuiper تعمل بشكل رائع، لكنها ضخمة وثقيلة. باستخدام هذه التكنولوجيا للجيل القادم، يمكنك نشر المئات منها بعملية إطلاق صغيرة جدًا وأرخص بكثير. يمكن أن يؤدي إلى إنترنت أكثر فعالية في السماء.

أخبرني عن ALBA، التجربة التي تمت في المهمة والتي اختبرت 32 نوعًا مختلفًا ومبتكرًا من الخلايا الشمسية الكهروضوئية لمعرفة كيفية أدائها في الفضاء. ما هي الوجبات الرئيسية؟

هاجيميري: قاد زميلي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا هاري أتواتر تلك التجربة. ما يعمل بشكل أفضل على الأرض ليس بالضرورة ما يعمل بشكل أفضل في الفضاء. يوجد في الفضاء أضرار إشعاعية كثيرة، وقد تمكنوا من قياس معدلات التدهور على مدى أشهر. من ناحية أخرى، لا يوجد بخار ماء في الفضاء، ولا أكسدة هواء، وهو أمر جيد لمواد مثل البيروفسكايت التي لديها مشاكل مع تلك الأشياء. لذا، يقوم هاري وفريقه باستكشاف المفاضلات وتطوير الكثير من الخلايا الجديدة الأرخص والأخف وزنًا: الخلايا المصنوعة من أغشية رقيقة من البيروفسكايت أو أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم، أو الخلايا التي تستخدم النقاط الكمومية، أو تستخدم أدلة موجية أو بصريات أخرى. لتركيز الضوء. العديد من هذه الخلايا تظهر وعدًا كبيرًا جدًا. يبدو أن طبقات رقيقة جدًا من زرنيخيد الغاليوم، على وجه الخصوص، تساعد جدًا في صنع خلايا خفيفة الوزن ولكنها عالية الأداء وتكلفة أقل بكثير لأنها تحتاج إلى القليل جدًا من مواد أشباه الموصلات.

تشتمل العديد من مفاهيم تصميم أقمار الطاقة الشمسية، بما في ذلك تلك التي نشرتها مجموعتك في نسخة ما قبل الطباعة لعام 2022، على مكثفات لتقليل كمية المساحة الكهروضوئية والكتلة اللازمة.

هاجيميري: التحدي الذي يواجه هذا التصميم هو زاوية القبول الضيقة إلى حد ما: يجب أن تتم محاذاة الأشياء بشكل صحيح حتى يضرب ضوء الشمس المركز الخلية بشكل صحيح. وهذا أحد الأسباب التي جعلتنا نبتعد عن هذا النهج ونتجه نحو التصميم المسطح.

منظر من داخل MAPLE: على اليمين توجد مجموعة من أجهزة إرسال طاقة الموجات الدقيقة المرنة، وعلى اليسار توجد أجهزة الاستقبال التي تنقل تلك الطاقة إليها.معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

هناك بعض الاختلافات الرئيسية الأخرى بين تصميم الأقمار الصناعية للطاقة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمفاهيم الأخرى الموجودة هناك. على سبيل المثال، التصميمات الأخرى التي رأيتها ستستخدم أفران ميكروويف في نطاق Wi-Fi، بين 2 و6 جيجاهيرتز، نظرًا لتوفر مكونات رخيصة لتلك الترددات. لكن ترددك 10 جيجا هرتز؟

هاجيميري: بالضبط، وهي ميزة كبيرة لأنه عندما تضاعف التردد، ينخفض ​​حجم الأنظمة الموجودة في الفضاء وعلى الأرض بمقدار أربعة أضعاف. يمكننا القيام بذلك بشكل أساسي لأننا نبني شرائحنا الدقيقة ونمتلك الكثير من القدرات في تصميم دوائر الموجات المليمترية. لقد أظهرنا بالفعل بعضًا من هذه اللوحات المرنة التي تعمل بتردد 28 جيجا هرتز.

وهل يتجنب تصميمك الحاجة إلى قيام الروبوتات بتجميع المكونات الرئيسية في الفضاء؟

هاجيميري: فكرتنا هي نشر أسطول من هذه الهياكل الشبيهة بالشراع والتي تطير جميعها في تشكيل متقارب. إنهم غير مرتبطين ببعضهم البعض. وهذا يترجم إلى خفض كبير في التكاليف. ولكل واحدة منها دافعات صغيرة على الحواف، وتحتوي على أجهزة استشعار داخلية تسمح لها بقياس شكلها أثناء طيرانها ومن ثم تصحيح مرحلة انتقالها وفقًا لذلك. سيتتبع كل منها أيضًا موقعه الخاص بالنسبة إلى الجيران وزاويته بالنسبة للشمس.

من وجهة نظرك كمهندس كهربائي، ما هي المشاكل الصعبة التي لا تزال بحاجة إلى حل؟

هاجيميري: يعد تزامن الوقت بين جميع أجزاء مجموعة أجهزة الإرسال أمرًا بالغ الأهمية وأحد أكثر التحديات إثارة للاهتمام في المستقبل.

نظرًا لأن المرسل عبارة عن مصفوفة طورية، فإن كل هوائي من ملايين الهوائيات الصغيرة في المصفوفة يجب أن يتزامن بدقة مع طور جيرانه من أجل توجيه الحزمة إلى محطة الاستقبال على الأرض.

هاجيميري: يمين. لإعطائك فكرة عن مستوى دقة التوقيت التي نحتاجها عبر مصفوفة مثل هذه: علينا تقليل ضوضاء الطور وارتعاش التوقيت إلى بضع بيكو ثانية فقط عبر جهاز الإرسال الذي يبلغ عرضه كيلومترًا كاملاً. في المختبر، نقوم بذلك باستخدام أسلاك ذات أطوال دقيقة أو ألياف ضوئية تغذي شرائح CMOS المزودة بثنائيات ضوئية مدمجة فيها. لدينا بعض الأفكار حول كيفية القيام بذلك لاسلكيًا، ولكن ليس لدينا أي أوهام: هذه رحلة طويلة.

ما هي التحديات الأخرى التي تلوح في الأفق؟

هاجيميري: إن الحجم الهائل للنظام والبنية التحتية الصناعية الجديدة اللازمة لجعله مختلفًا تمامًا عن أي شيء بنته البشرية على الإطلاق. إذا كان لي أن أصنف التحديات، فسأضع الحصول على الإرادة والموارد والمشاركة الذهنية وراء مشروع بهذا الحجم في المرتبة الأولى.