همه آنچه باید از پروژه ارسال انرژی پاک Caltech  بدانید

فناوری که قادر به جمع‌آوری انرژی خورشیدی در فضا و ارسال آن به زمین برای تأمین انرژی پاک و مقرون به صرفه جهانی باشد ، زمانی علمی تخیلی به حساب می‌آمد اما اکنون به واقعیت نزدیکتر شده است.

به گزارش تکناک، از طریق پروژه انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا (SSPP)، تیمی از محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) در حال کار بر روی یک صورت فلکی از فضاپیماهای مدولار هستند که نور خورشید را جمع آوری می کند، آن را به الکتریسیته تبدیل می کند و سپس به صورت بی سیم آن الکتریسیته را به هر کجا که لازم باشد منتقل می کند. . آنها حتی می توانند آن را به مکان هایی ارسال کنند که در حال حاضر به برق قابل اعتماد دسترسی ندارند.

هری آتواتر، محقق SSPP و اوتیس بوس رئیس بخش مهندسی و علوم کاربردی Caltech می‌گویند: این یک پروژه فوق‌العاده و بی‌سابقه است. این نمونه جسارت و جاه طلبی برای پرداختن به یکی از مهم ترین چالش های زمان ما است، ارائه انرژی پاک و مقرون به صرفه به جهان.

آتواتر که همچنین استاد فیزیک کاربردی و علم مواد هوارد هیوز است، پروژه را به طور مشترک با دو محقق دیگر هدایت می کند: علی حاجی میری، پروفسور مهندسی برق و مدیر مشترک SSPP و سرجیو پلگرینو پروفسور هوافضا و مهندسی عمران، مدیر مشترک SSPP، و دانشمند پژوهشی ارشد در آزمایشگاه رانش جت (JPL).

گروه تحقیقاتی Atwater در حال طراحی فتوولتائیک های photovoltaics  فوق سبک با راندمان بالا (موادی که نور را به الکتریسیته تبدیل می کنند) است که برای شرایط فضایی بهینه شده و با یک سیستم تبدیل و انتقال توان ماژولار یکپارچه سازگار هستند.

تیم تحقیقاتی حاجی میری در حال توسعه فناوری کم‌هزینه و سبک مورد نیاز برای تبدیل توان جریان مستقیم به توان فرکانس رادیویی (که برای انتقال سیگنال‌های تلفن همراه استفاده می‌شود) و ارسال آن به زمین به عنوان امواج مایکروویو است. حاجی میری توضیح می دهد که این روند بی خطر است. تشعشعات غیریونیزان در سطح به طور قابل توجهی کمتر از ایستادن زیر نور خورشید مضر هستند. علاوه بر این، در صورت آسیب یا نقص، سیستم می تواند به سرعت خاموش شود.

گروه Pellegrino در حال اختراع ساختارهای فضایی تاشو، فوق نازک و فوق سبک برای پشتیبانی از فتوولتائیک ها و همچنین اجزای مورد نیاز برای تبدیل، انتقال و هدایت توان فرکانس رادیویی به جایی است که مورد نیاز است.

واحد اصلی سیستمی که محققان ساخته اند کاشی 4 اینچی در 4 اینچی است که کمتر از یک دهم اونس وزن دارد. صدها هزار عدد از این کاشی‌ها در سیستمی از ماهواره‌ شبیه به فرش‌ پرنده ترکیب می‌شوند که پس از باز شدن، سطحی برای جمع‌آوری نور خورشید به وسعت 3.5 مایل مربع ایجاد می‌کنند.

کار بر روی SSPP با بیش از 100 میلیون دلار بودجه توسط دونالد برن، رئیس شرکت ایروین و یکی از اعضای مادام العمر جامعه Caltech، و همسرش، بریژیت برن، از معتمدین Caltech، حمایت شده است. شرکت Northrup Grumman بودجه ای را برای مطالعات امکان سنجی اولیه فراهم کرده است.

Atwater، حاجی میری و Pellegrino در مورد پیشرفت خود  و پتانسیل تحول آفرینی انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا  با نزدیک شدن به یک نقطه عطف مهم پروژه صحبت کردند:

*چشم انداز پروژه انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا را توصیف کنید. پروژه چگونه شکل گرفت؟

Sergio Pellegrino : بیش از 10 سال پیش، در سال 2011، صحبت هایی با دونالد برن آغاز شد که پرسیده شد آیا کلتک در مورد تحقیق در زمینه انرژی و فضا پایدار ایده ای دارد یا خیر. ما در گروهی از اعضای هیئت علمی، درباره راه‌های ایجاد علایق و آنچه در هر یک از حوزه‌های ما اتفاق می‌افتد که ممکن است منجر به یک ابتکار تحقیقاتی بسیار تأثیرگذار شود، شروع به بحث کردیم. در طی چند ماه، ما به چشم‌اندازی رسیدیم – من آن را رویا نامیدم – از ترکیب سه یا چهار پیشرفت فناوری، مفهوم انرژی خورشیدی فضایی تغییر کرده است.

علی حاجی میری: این مفهوم در گذشته واقعاً علمی تخیلی بود. چیزی که ما را قادر ساخت تا آن را از قلمرو علمی تخیلی به قلمرو واقعیت در نظر بگیریم، ترکیبی از پیشرفت‌هایی بود که در فتوولتائیک در آزمایشگاه هری، در سازه‌ها در آزمایشگاه سرجیو و در انتقال برق بی‌سیم اتفاق می‌افتد درآزمایشگاه من اتفاق می‌افتد. اکنون متوجه شدیم که می توانیم انرژی خورشیدی فضایی را به گونه ای دنبال کنیم که هم کاربردی و هم اقتصادی شود.

یکی از اولین سوالاتی که هر کسی می پرسد این است: “چرا می خواهید فتوولتائیک را در فضا قرار دهید؟” خوب، در فضا، جایی که شما شب و روز و ابرها و چیزهایی از این دست ندارید، تقریباً هشت برابر انرژی بیشتری دریافت می کنید. چشم انداز این برنامه این است که بتواند به اندازه نیاز شما، در جاهایی که به آن نیاز دارید و در مواقعی که به آن نیاز دارید، نیرو ارائه دهد.

*چه پیشرفتی در راستای تحقق این چشم انداز بلندپروازانه داشته اید؟

Pellegrino: در طی دو سال، نمونه اولیه کاشی را ساختیم و به نمایش گذاشتیم. این عنصر کلیدی مدولار است که نور خورشید را جذب می کند و نیرو را منتقل می کند. از طریق آن فرآیند، ما چیزهای زیادی در مورد نحوه طراحی سیستم های بسیار یکپارچه و فوق سبک از این نوع آموختیم. سپس نمونه اولیه دوم را توسعه دادیم که 33 درصد سبک تر از اولی بود.

حاجی میری: این کاشی همانطور که سرجیو اشاره کرد بلوک ساختمانی سیستم بزرگتر است. باید کاملاً کاربردی، سازگار و مقیاس پذیر باشد. اگرچه ممکن است ساده به نظر برسد، اما در واقع بسیار پیچیده است. این کاشی‌ها بر روی یک ساختار بسیار انعطاف‌پذیر نصب می‌شوند که می‌توان آن را تا کرد تا در یک وسیله نقلیه پرتاب‌کننده قرار بگیرد. پس از استقرار، ساختار گسترش می‌یابد و کاشی‌ها به صورت هماهنگ برای تولید انرژی، تبدیل آن و انتقال آن دقیقاً در جایی که به آن نیاز دارید کار می‌کنند.

*در مورد فاز بعدی این پروژه چه چیزی می توانید به ما بگویید؟

Atwater: تا زمانی که واقعاً به فضا نروید، واقعی نمی شود. همانطور که سرجیو و علی توضیح دادند، ما این عنصر واحد کلیدی به نام کاشی را در آزمایشگاه‌های خود نشان دادیم. یکی از درس‌های آن سلسله نمایش‌ها این بود که مسیری که ما باید برای فتوولتائیک دنبال می‌کردیم اساساً باید تغییر می‌کرد. ما با مواد فتوولتائیک عادی کار می‌کردیم، که باید به شکلی طراحی می‌شد که دستیابی به مساحت جرم در واحد و اهداف خاص قدرت را دشوار می‌کرد، بنابراین باید اساساً در مورد فتوولتائیک تجدید نظر می‌کردیم. در نتیجه یک سری از دستگاه‌های فتوولتائیک با قابلیت بالا تولید شد که ما در فضا نیاز داریم در واقع قبلاً هرگز به فضا فرستاده نشده اند.

Pellegrino: اکثر فضا پیماهای امروزی دارای آرایه های خورشیدی هستند – سلول های فتوولتائیک متصل به یک ساختار حامل – اما نه با این نوع مواد و نه به اندازه هایی که به آن رسیده ایم. با استفاده از تکنیک‌های تاشو جدید، با الهام از اوریگامی، می‌توانیم ابعاد یک فضاپیمای غول‌پیکر را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم. بسته بندی آن به قدری محکم است که اساساً عاری از هرگونه فضای خالی است.

حاجی میری: انتقال برق بی‌سیم به این شکل در فضا نشان داده نشده است. ما همچنین آن را با مواد انعطاف‌پذیر و سبک خود نشان می‌دهیم، نه لزوماً ساختاری سفت و سخت. که پیچیدگی را اضافه می کند.

*اگر و زمانی که انرژی خورشیدی فضایی به واقعیت تبدیل شود، چه تاثیری می تواند بر جامعه داشته باشد؟

علی حاجی میری: قرار است ماهیت انرژی و دسترسی به آن را متحول کند تا همه جا فراگیر شود، تبدیل به انرژی قابل ارسال شود. شما می توانید آن را به جایی که نیاز دارید ارسال کنید. این تغییر جهت انرژی بدون هیچ گونه حرکت مکانیکی، صرفاً از طریق وسایل الکتریکی و با استفاده از یک آرایه فوکوس انجام می شود که باعث می شود بسیار سریع باشد.

Atwater: فکر می‌کنم می‌توان گفت که چشم‌انداز برنز واقعاً این بود که کاری را انجام دهد که همانطور که علی اشاره کرد، در اصل تقریباً از داستان‌های علمی تخیلی سرچشمه می‌گرفت و به یک منبع انرژی در مقیاس بزرگ برای جهان تبدیل شود.

Pellegrino: ما همکاران JPL را به تیم ما ملحق کرده‌ایم، و این همکاری برای ما قدرتمند و مفید شده است، زیرا ما شروع به فکر کردن در مورد این نمایش‌های فضایی می‌کنیم. بحث در مورد انرژی که به طور ضمنی محدود به تامین انرژی زمین بود، در واقع به اکتشافات فضایی نیز گسترش می یابد. ما در حال باز کردن فصل های جدیدی در نحوه تفکر JPL در مورد ماموریت های آینده هستیم.

*صحبت از همکاری، کار در زمینه های تحقیقاتی برای موفقیت SSPP ضروری بوده است. کار کردن با هم در طول یک پروژه طولانی مدت چگونه بوده است؟

علی حاجی میری: دانشجویان، فوق دکترا، همه ما از نزدیک با هم کار کرده‌ایم و چیزهای زیادی در مورد حوزه‌های تخصصی یکدیگر یاد گرفته‌ایم. این منجر به چیزی می شود که هم از نظر نتیجه نهایی پروژه با ارزش است و هم از نظر مفاهیم آموزشی که دانش جویان فرا می گیرند. این آموزش برای آینده فناوری فضایی بسیار مهم است، چه برای انتقال انرژی بی سیم، ارتباطات، سازه های فضایی، یا انواع دیگر برنامه هایی که هنوز حتی به آن فکر نکرده ایم.

Atwater: من یک عمر در فتوولتائیک کار می‌کردم، اما هرگز در رویاهای دورخود تصور نمی‌کردم که در فضا درگیر شوم تا زمانی که این فرصت فراهم شود. و برای من، این دریچه ای به دنیای کاملاً جدیدی از علم است. این فوق العاده هیجان انگیز بوده است.

Pellegrino: گاهی اوقات به نظر می رسد که ما به همکاران خود فشار می آوریم تا کاری را انجام دهند که آنها به وضوح فکر می کنند غیرممکن است اما بعداً معلوم می شود غیرممکن نیست. این فقط یک احساس فوق العاده است. این یک نوع تحقیق متفاوت است، جایی که شما بهترین کار را در زمینه خود انجام می دهید، اما همچنین از رابطه با سایر زمینه ها نیز استفاده می کنید. بهره بردن یک جامعه از نتایج یک پروژه تحقیقاتی بهتر از هر چیز دیگری نتیجه کار را توضیح میدهد این بسیار چالش برانگیزتر است.