انتقال انرژی از فضا عملیاتی شد!

نمونه اولیه انرژی خورشیدی فضایی که در ژانویه به مدار پرتاب شد، عملیاتی شده است و توانایی خود را در انتقال انرژی از فضا به صورت بیسیم و ارسال انرژی قابل تشخیص به زمین برای اولین بار نشان داده است.

به گزارش تکناک، انتقال انرژی از فضا به صورت بیسیم توسط MAPLE نشان داده شد، که یکی از سه فناوری کلیدی است که توسط پروژه انرژی خورشیدی فضایی دانشگاه Caltech (SSPP) پشتیبانی می شود و با اولین نمونه اثبات کننده این مفهوم (SSPD-1) آزمایش شد.

MAPLE، مخفف Microwave Array for Power Transfer Low-Obit Experiment و یکی از سه آزمایش کلیدی در SSPD-1، است که شامل آرایه ای از فرستنده های انرژی مایکروویو سبک وزن انعطاف پذیر می باشد که توسط تراشه های الکترونیکی سفارشی هدایت می شوند و با استفاده از فناوری های سیلیکونی کم هزینه ساخته شده اند.

MAPLE از آرایه فرستنده ها برای ارسال انرژی به مکان های مورد نظر استفاده می کند. برای عملی شدن SSPP، آرایه‌های انتقال انرژی باید سبک وزن باشند تا میزان سوخت مورد نیاز برای ارسال به فضا را به حداقل برسانند، انعطاف‌پذیر باشند تا بتوانند در بسته‌ای قرار گیرند که می‌تواند با موشک حمل شود، و به طور کلی یک فناوری کم‌هزینه باشند.

MAPLE توسط یک تیم از Caltech به رهبری علی حاجی میری، مهندسی برق و یکی از مدیران SSPP ساخته شده است.

حاجی میری می‌گوید: از طریق آزمایش‌هایی که تاکنون انجام داده‌ایم، تأییدیه‌ای دریافت کردیم که MAPLE می‌تواند با موفقیت نیرو را به گیرنده‌های موجود در فضا منتقل کند. ما همچنین توانسته‌ایم آرایه را طوری برنامه‌ریزی کنیم که انرژی خود را به سمت زمین هدایت کند، که اینجا در Caltech شناسایی کردیم. البته ما آن را روی زمین آزمایش کرده بودیم، اما اکنون می دانیم که می تواند از سفر به فضا جان سالم به در ببرد و در آنجا فعالیت کند.

با استفاده از تداخل سازنده و مخرب بین فرستنده‌های منفرد، یک بانک فرستنده انرژی قادر است تمرکز و جهت انرژی را که به بیرون می‌تابد بدون هیچ قسمت متحرکی تغییر دهد. آرایه فرستنده از عناصر کنترل زمان دقیق استفاده می کند تا با استفاده از افزودن منسجم امواج الکترومغناطیسی به صورت پویا انرژی را به صورت انتخابی بر روی مکان مورد نظر متمرکز کند. این باعث می شود که اکثر انرژی به مکان مورد نظر و هیچ جای دیگر منتقل شود.

MAPLE دارای دو آرایه گیرنده مجزا است که حدود یک فوت دورتر از فرستنده قرار گرفته اند تا انرژی را دریافت کنند، آن را به جریان مستقیم (DC) الکتریسیته تبدیل کنند و از آن برای روشن کردن یک جفت LED برای نشان دادن توالی کامل انتقال انرژی بی سیم در فاصله ای از فضا استفاده کند.

MAPLE این را در فضا با روشن کردن هر LED به صورت جداگانه و جابجایی بین آنها به جلو و عقب آزمایش کرد. این آزمایش نهایی نشده است، بنابراین در معرض محیط خشن فضا، از جمله نوسانات گسترده دما و تابش خورشیدی است که روزی واحدهای SSPP در مقیاس بزرگ با آن مواجه خواهند شد.

حاجی‌میری می‌گوید: تا جایی که ما می دانیم، هیچ کس تا به حال انتقال انرژی بی سیم از فضا را حتی با سازه های پیشرفته و گران قیمت نشان نداده است. این اولین بار است ما این کار را با ساختارهای سبک وزن انعطاف پذیر و با مدارهای یکپارچه خود انجام می دهیم.

MAPLE همچنین شامل یک پنجره کوچک است که از طریق آن آرایه می تواند انرژی را بتاباند. این انرژی منتقل شده توسط گیرنده ای در پشت بام آزمایشگاه مهندسی گوردون و بتی مور در محوطه دانشگاه Caltech در پاسادنا شناسایی شد. سیگنال دریافتی در زمان و فرکانس مورد انتظار ظاهر شد و همانطور که پیش بینی شده بود، تغییر فرکانس مناسبی داشت.

فراتر از نشان دادن این که فرستنده های نیرو می توانند از پرتاب (که در 3 ژانویه انجام شد) و پرواز فضایی جان سالم به در ببرند و همچنان کار کنند، این آزمایش بازخورد مفیدی را برای مهندسان SSPP ارائه کرده است. آنتن‌های انتقال نیرو در گروه‌های 16 تایی دسته‌بندی شده‌اند که هر گروه توسط یک تراشه مدار یکپارچه انعطاف‌پذیر کاملاً سفارشی هدایت می‌شوند، و تیم حاجی میری اکنون با ارزیابی الگوهای تداخل گروه‌های کوچکتر و اندازه‌گیری تفاوت‌های بین ترکیب‌های مختلف، عملکرد عناصر منفرد را در سیستم ارزیابی می‌کنند. فرآیند پر زحمتی که ممکن است تا شش ماه طول بکشد تا به طور کامل تکمیل شود به تیم اجازه می دهد تا بی نظمی ها را مرتب کرده و آنها را به واحدهای جداگانه ردیابی کند و بینشی برای نسل بعدی سیستم ارائه دهد.

انرژی خورشیدی فضایی راهی برای بهره‌برداری از منبع عملاً نامحدود انرژی خورشیدی در فضای بیرونی فراهم می‌کند، جایی که انرژی دائماً بدون قرار گرفتن در چرخه‌های روز و شب، فصول و پوشش ابر در دسترس است  به طور بالقوه هشت برابر بیشتر از پنل های خورشیدی در هر مکانی از سطح زمین بازده انرژی دارد.

پس از تحقق کامل، SSPP یک صورت فلکی از فضاپیمای مدولار را مستقر می کند که نور خورشید را جمع آوری می کند، آن را به الکتریسیته تبدیل می کند، سپس آن را به امواج مایکروویو تبدیل می کند که به صورت بی سیم در فواصل طولانی به هر کجا که مورد نیاز باشد، از جمله مکان هایی که در حال حاضر به برق قابل اطمینان دسترسی ندارند، منتقل می شود.

سرجیو پلگرینو، استاد هوافضا و مهندسی عمران و یکی از مدیران SSPP می‌گوید: آرایه‌های انتقال انرژی انعطاف‌پذیر برای طراحی فعلی چشم‌انداز Caltech برای مجموعه‌ای از صفحات خورشیدی بادبان مانند که پس از رسیدن به مدار باز می‌شوند، ضروری هستند.

حاجی میری می گوید: همانطور که اینترنت دسترسی به اطلاعات را آزاد کرد، امیدواریم انتقال انرژی بی سیم دسترسی به انرژی را آزاد کند. هیچ زیرساخت انتقال انرژی در زمین برای دریافت این نیرو مورد نیاز نخواهد بود. این بدان معناست که ما می توانیم انرژی را به مناطق دورافتاده و مناطق ویران شده توسط جنگ یا بلایای طبیعی ارسال کنیم.

SSPP در سال 2011 پس از آن آغاز شد که نیکوکار دونالد برن، رئیس شرکت ایروین و عضو مادام العمر هیئت امنای Caltech، برای اولین بار در جوانی در مقاله ای در مجله Popular Science در مورد پتانسیل تولید انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا پی برد. برن که شیفته پتانسیل انرژی خورشیدی فضایی شده بود، در سال 2011 با رئیس وقت دانشگاه Caltech، ژان لو چامو، در مورد ایجاد یک پروژه تحقیقاتی انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا صحبت کرد. در سال‌های بعد، برن و همسرش، بریژیت برن، که او نیز از معتمدین Caltech بود، موافقت کردند که تأمین مالی پروژه را انجام دهند. اولین کمک مالی به Caltech (که در نهایت از 100 میلیون دلار برای حمایت از پروژه و کرسی های استادی وقف شده فراتر خواهد رفت) از طریق بنیاد دونالد برن انجام شد.

برن می‌گوید: کار سخت و فداکاری دانشمندان باهوش در Caltech رویای ما را برای ارائه انرژی فراوان، قابل‌اعتماد و مقرون به صرفه به جهان عملی کرده است.

انتقال به انرژی های تجدیدپذیر، که برای آینده جهان حیاتی است، امروزه به دلیل چالش های ذخیره سازی و انتقال انرژی محدود شده است. توماس اف. روزنبام، رئیس Caltech می گوید: تابش انرژی خورشیدی از فضا راه حلی ظریف است که به دلیل سخاوت و آینده نگری برن ها یک قدم به تحقق نزدیکتر شده است. دونالد برن یک چالش فنی بزرگ ارائه کرده است که نوید یک پاداش قابل توجه برای بشریت را می دهد: جهانی با انرژی تجدید پذیر تمام نشدنی.

علاوه بر حمایت های دریافتی از برنز، شرکت نورتروپ گرومن نیز 12.5 میلیون دلار به کلتک طی سه سال از طریق یک قرارداد تحقیقاتی حمایت شده بین سال های 2014 و 2017 اعطا کرد که از توسعه فناوری و پیشرفت علم برای پروژه حمایت می کرد.

هری آتواتر، رئیس بخش مهندسی و علوم کاربردی Otis Booth می‌گوید: نمایش انتقال انرژی بی‌سیم در فضا با استفاده از سازه‌های سبک، گام مهمی به سوی انرژی خورشیدی فضایی و دسترسی گسترده به آن در سطح جهانی است. هاوارد هیوز، استاد فیزیک کاربردی و علوم مواد و یکی از محققین اصلی پروژه میگوید: پنل‌های خورشیدی در فضا برای تامین انرژی ایستگاه فضایی بین‌المللی استفاده می‌شوند، اما برای پرتاب و استقرار آرایه‌های به اندازه کافی بزرگ برای تامین انرژی زمین، SSPP باید سیستم‌های انتقال انرژی خورشیدی را طراحی و ایجاد کند که بسیار سبک، ارزان و انعطاف پذیر باشند.

واحدهای SSPP منفرد در بسته‌هایی با حجم حدود 1 متر مکعب جمع می‌شوند و سپس به شکل مربع‌های مسطح در حدود 50 متر در هر طرف باز می‌شوند، با سلول‌های خورشیدی در یک طرف رو به خورشید و فرستنده‌های برق بی‌سیم رو به زمین در طرف دیگر.

فضاپیمای Momentus Vigoride که با موشک SpaceX در ماموریت Transporter-6 پرتاب شد، 50 کیلوگرم SSPD را به فضا حمل کرد. Momentus پشتیبانی مستمر محموله را برای Caltech ارائه می‌کند، از جمله: ارائه داده‌ها، ارتباطات، فرماندهی و تله‌متری، منابعی برای گرفتن عکس بهینه و روشنایی سلول خورشیدی. کل مجموعه شامل سه نمونه اولیه در SSPD بود که توسط تیمی متشکل از حدود 35 نفر، اساتید، دانشجویان فوق دکترا، و دانشجویات تحصیلات تکمیلی، در آزمایشگاه های Caltech پیش بینی، طراحی، ساخته و آزمایش شد.

SSPD علاوه بر MAPLE دارای دو آزمایش اصلی دیگر است: DOLCE (آزمایش کامپوزیت فوق سبک قابل استقرار در مدار)، ساختاری به ابعاد 6 فوت در 6 فوت که معماری، طرح بسته‌بندی و مکانیسم‌های استقرار فضاپیمای مدولار را نشان می‌دهد و ALBA، مجموعه ای از 32 نوع مختلف سلول فتوولتائیک برای ارزیابی انواع سلول هایی که در محیط خشن فضا موثرترین هستند. آزمایش‌های سلول‌های خورشیدی ALBA در حال انجام است و SSPP هنوز تلاشی برای استقرار DOLCE در زمان انتشار این مقاله نکرده است. انتظار می رود نتایج حاصل از این آزمایش ها در ماه های آینده منتشر شود.