پرتاب انرژی پاک از فضا، پروژه فوق‌العاده و بی‌سابقه «کال‌تک»

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از (سای تک دیلی)، فناوری که قادر به جمع‌آوری انرژی خورشیدی در فضا و ارسال آن به زمین برای تأمین انرژی پاک و مقرون به صرفه جهانی بود، زمانی علمی تخیلی به حساب می‌آمد. اکنون به واقعیت نزدیکتر شده است.

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 می‌کند، آن را به الکتریسیته تبدیل می‌کند و سپس به صورت بی سیم آن الکتریسیته را به هر کجا که لازم باشد منتقل می‌کند.. آن‌ها حتی می‌توانند آن را به مکان‌هایی ارسال کنند که در حال حاضر به برق قابل اعتماد دسترسی ندارند.

هری آتواتر، محقق SSPP و رئیس Otis Booth رهبری بخش مهندسی و علوم کاربردی Caltech می‌گوید: این یک پروژه فوق‌العاده و بی‌سابقه است. "این نمونه جسارت و جاه طلبی مورد نیاز برای رسیدگی به یکی از مهم‌ترین چالش‌های زمان ما، ارائه انرژی پاک و مقرون به صرفه به جهان است. "

آتواتر که همچنین استاد فیزیک کاربردی و علم مواد هوارد هیوز است، پروژه را به طور مشترک با دو محقق دیگر هدایت می‌کند.

بهره برداری از انرژی خورشیدی در فضا بر پیشرفت‌های چشمگیر در سه حوزه اصلی متکی است:

گروه تحقیقاتی Atwater در حال طراحی فتوولتائیک‌های فوق سبک با راندمان بالا (موادی که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند) است که برای شرایط فضایی بهینه شده و با یک سیستم تبدیل و انتقال توان ماژولار یکپارچه سازگار است.
تیم تحقیقاتی حاجیمیری 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. حاجیمیری توضیح می‌دهد 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 می‌تواند به سرعت خاموش شود.

گروه Pellegrino در حال اختراع ساختار‌های فضایی تاشو، فوق نازک و فوق سبک برای پشتیبانی از فتوولتائیک‌ها 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 تصور می‌کنند کاشی ۴ اینچی در ۴ اینچی است که کمتر از یک دهم اونس وزن دارد. صد‌ها هزار عدد از این کاشی‌ها در سیستمی از ماهواره‌های فرش‌مانند پرنده ترکیب می‌شوند که پس از باز شدن، سطحی برای جمع‌آوری نور خورشید به وسعت ۳.۵ مایل مربع ایجاد می‌کنند.

کار بر روی SSPP با بیش از ۱۰۰ 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 بودجه‌ای را برای مطالعات امکان سنجی اولیه فراهم کرد.

Atwater، Hajimiri و Pellegrino در مورد پیشرفت خود - و پتانسیل تحول آفرینی انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا - با نزدیک شدن این پروژه به نقطه عطف مهمی صحبت کردند: پرتاب آزمایشی نمونه‌های اولیه به فضا در دسامبر ۲۰۲۲.

مجموعه‌ای از پانل‌های خورشیدی کوچک که بخشی از پروژه انرژی خورشیدی فضایی هستند، فتوولتائیک، مدار انتقال نیرو، و فرمان پرتو را در خود جای داده‌اند. 

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

سرجیو پلگرینو: بیش از ۱۰ سال پیش، در سال ۲۰۱۱، صحبت‌هایی با دونالد برن آغاز شد که پرسیده شد آیا کلتک در مورد تحقیق در زمینه انرژی و فضا پایدار نظری 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 به یک ابتکار تحقیقاتی بسیار تأثیرگذار منجر شود، شروع به بحث کردیم. در طی چند ماه، ما به چشم‌اندازی رسیدیم - من آن را رویا نامیدم - از سه یا چهار پیشرفت فناوری که در ترکیب، روشی را که قبلاً به انرژی خورشیدی فضایی نزدیک شده بود تغییر می‌داد.

علی حاجی‌میری: 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 انرژی بی‌سیم اتفاق می‌افتد که در من اتفاق می‌افتد. آزمایشگاه. ما متوجه شدیم که اکنون می‌توانیم انرژی خورشیدی فضایی را به گونه‌ای دنبال کنیم که هم کاربردی و هم اقتصادی شود.

یکی از اولین سوالاتی که هر کسی می‌پرسد این است: "چرا می‌خواهید 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 می‌کنید. چشم‌انداز 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.

(از چپ به راست) پروفسور سرجیو پلگرینو، هری آتواتر و علی حاجیمیری.

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

پلگرینو: در طی دو سال، نمونه اولیه کاشی را ساختیم و به نمایش گذاشتیم. این عنصر کلیدی مدولار است که نور خورشید را جذب می‌کند و نیرو را منتقل می‌کند. از طریق آن فرآیند، ما چیز‌های زیادی در مورد نحوه طراحی سیستم‌های بسیار یکپارچه و فوق سبک از این نوع آموختیم. سپس نمونه اولیه دوم را توسعه دادیم که ۳۳ درصد سبک‌تر از اولی بود.

حاجیمیری: 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 منبسط می‌شود و کاشی‌ها به طور هماهنگ و هماهنگ برای تولید انرژی، تبدیل آن و انتقال آن دقیقاً در جایی که به آن نیاز دارید و در هیچ جای دیگری کار می‌کنند.

در مورد فاز بعدی این پروژه چه چیزی می‌توانید به ما بگویید؟

Atwater: تا زمانی که واقعاً به فضا نروید، واقعی نمی‌شود. 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 معمولی کار می‌کردیم، که باید به شکلی طراحی می‌شد که دستیابی به سطح جرم در واحد و اهداف خاص قدرت را دشوار می‌کرد، بنابراین باید اساساً در مورد فتوولتائیک تجدید نظر می‌کردیم.

استراتژی به طور کامل در نتیجه، کلاس‌های دستگاه‌های فتوولتائیک که ما در فضا آزمایش می‌کنیم، در واقع قبلاً هرگز در فضا پرواز نکرده‌اند.

پلگرینو: اکثر فضاپیما‌های امروزی دارای آرایه‌های خورشیدی هستند - سلول‌های فتوولتائیک متصل به یک ساختار حامل -، اما نه با این نوع مواد و نه به اندازه‌هایی 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.

حاجی‌میری: 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. این به پیچیدگی می‌افزاید.

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

حاجیمیری: قرار است ماهیت انرژی و دسترسی به آن را متحول کند تا همه جا فراگیر شود، تبدیل به انرژی قابل ارسال شود. شما می‌توانید 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 می‌شود که باعث می‌شود بسیار سریع باشد.

آتواتر: 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 گرفته بود، تا کاری را انجام دهد که به منبع انرژی در مقیاس بزرگ برای جهان تبدیل شود.

پلگرینو: ما همکاران JPL را به تیم ما ملحق کرده‌ایم، و با شروع به فکر کردن درباره این نمایش‌های فضایی، این همکاری برای ما قدرتمند و مفید شده است. بحث در مورد انرژی که به طور ضمنی محدود به تامین انرژی زمین بود، در واقع به اکتشافات فضایی نیز گسترش می‌یابد. ما در حال باز کردن فصل‌های جدیدی در نحوه تفکر JPL در مورد ماموریت‌های آینده هستیم.

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

حاجیمیری: دانشجویان، فوق دکترا، همه ما از نزدیک با هم کار کرده‌ایم و چیز‌های زیادی در مورد حوزه‌های یکدیگر یاد گرفته‌ایم. این منجر به چیزی می‌شود که بیشتر از مجموع اجزای آن است، هم از نظر نتیجه نهایی پروژه و هم از نظر آموزشی که دانش آموزان می‌گیرند. این آموزش برای آینده فناوری فضایی بسیار مهم است، چه برای انتقال انرژی بی سیم، ارتباطات، سازه‌های فضایی، یا انواع دیگر برنامه‌هایی که هنوز حتی به آن فکر نکرده ایم.

آتواتر: من یک عمر در فتوولتائیک کار می‌کردم، اما در رویا‌های وحشیانه‌ام هرگز تصور نمی‌کردم که درگیر فضا باشم تا زمانی که این فرصت به وجود آمد؛ و برای من، این دریچه‌ای به دنیای کاملاً جدیدی از علم است. این فوق العاده هیجان انگیز بوده است.

پلگرینو: گاهی اوقات به نظر می‌رسد که ما به همکاران خود فشار می‌آوریم تا کاری را انجام دهند که آن‌ها به وضوح فکر می‌کنند غیرممکن است، اما بعداً معلوم می‌شود 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 می‌دهید، اما همچنین از رابط با سایر زمینه‌ها استفاده می‌کنید، یک سیستم جمعی که واقعاً به نفع جامعه است. بهره بردن از جامعه بسیار پیچیده‌تر از انجام کار خوب در منطقه خود است. این بسیار چالش برانگیزتر است.