الألواح الشمسية وبطارية تخزين الطاقة - أنظمة طاقة المركبات الفضائية المتقدمة

عند اختيار مصدر طاقة لمركبة فضائية مأهولة ، يجب مراعاة العديد من العوامل الحاسمة ، بما في ذلك متطلبات الطاقة ومدة المهمة والجدوى الفنية والسلامة. حاليا ، تعتمد معظم المركبات الفضائية على مزيج من المصفوفات الشمسية وبطاريات تخزين الطاقة لأنظمة الطاقة الخاصة بها. تقوم المصفوفات الشمسية ، غالبا على شكل أجنحة كبيرة ومرنة ، بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء ، والتي تعمل على تشغيل أنظمة المركبة الفضائية. يتم تخزين الطاقة التي لا يتم استخدامها على الفور في البطاريات ، مما يوفر مصدر طاقة مستمر حتى عندما تمر المركبة الفضائية عبر ظل الأرض أو تواجه فترات أخرى من انخفاض ضوء الشمس. فيما يلي تحليل لمصادر الطاقة المختلفة التي يتم أخذها في الاعتبار بشكل شائع للمركبات الفضائية.

مصادر الطاقة للمركبات الفضائية المأهولة:

الطاقة الشمسية:

الطاقة الشمسية نظيفة ومتجددة ووفيرة. في الفضاء ، دون تدخل في الغلاف الجوي ، يكون الإشعاع الشمسي أقوى بكثير ، مما يجعل الطاقة الشمسية خيارا فعالا وموثوقا به. أنظمة الطاقة الشمسية بسيطة نسبيا ، وتتطلب تكاليف صيانة منخفضة. تعتبر الطاقة الشمسية مثالية للبعثات ذات الفترات الطويلة في الفضاء حيث لا يكون استقرار الطاقة مصدر قلق بالغ ولكن الموثوقية على مدى فترات طويلة أمر ضروري.

الطاقة النووية:

توفر القوى النووية كثافة طاقة عالية ، وإنتاج طاقة كبير ، ولا تتأثر بالظروف البيئية الخارجية. في الفضاء ، يمكن أن يوفر مصدر طاقة مستقر لفترات طويلة. مناسب لبعثات الفضاء السحيق التي تتطلب إمدادات طاقة عالية طويلة الأجل.

خلايا الوقود:

تتمتع خلايا الوقود بكفاءة عالية في تحويل الطاقة وتنتج المياه بشكل أساسي كمنتج ثانوي ، مما يجعلها صديقة للبيئة. يمكن أن تبدأ وتتوقف بسرعة ، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات التي يتقلب فيها الطلب على الطاقة. مثالية للمهام التي تتطلب استقرارا عاليا للطاقة ولكن مع فترات مساحة قصيرة نسبيا.

البطاريات:

الطاقة الشمسية + البطاريات: كنز الكون اللامتناهي

توفر الشمس ، في مركز نظامنا الشمسي ، طاقة غير محدودة تقريبا. في الفضاء ، بدون الحواجز الجوية الموجودة على الأرض ، يكون الإشعاع الشمسي أكثر كثافة بشكل ملحوظ ، مما يوفر ظروفا مثالية لجمع الطاقة الشمسية واستخدامها.

أثبتت الطاقة الشمسية أنها لا غنى عنها في بعثات الفضاء الصينية. تسخر المركبة الفضائية شنتشو ، وهي برنامج رحلات فضائية مأهولة ، الطاقة الشمسية من خلال ألواحها الشمسية القابلة للتمديد ، والتي تنتشر في المدار لتوفير الكهرباء لأنظمة دعم الحياة والملاحة. تستخدم محطة Tiangong الفضائية ، وتحديدا وحدة Tianhe الأساسية ، صفائف شمسية مرنة تمتد على مساحة تزيد عن 130 مترا مربعا وتولد ما يقرب من 18 واط من الطاقة. هذه الطاقة ضرورية للحفاظ على بيئة المحطة ، وتشغيل التجارب ، ودعم احتياجات الطاقم. توضح هذه الأمثلة كيف أن الطاقة الشمسية لا تضمن إمدادات طاقة موثوقة فحسب ، بل تعزز أيضا استدامة المهمة وتقلل من الاعتماد على مصادر الطاقة الأخرى الأكثر تقلبا.

تعد المصفوفات الشمسية المرنة مكونات رئيسية للمركبات الفضائية ، حيث توفر تحويلا ضوئيا عالي الكفاءة ونشرا قابلا للتكيف. على سبيل المثال ، يمكن للمصفوفات الشمسية المرنة لوحدة Tianhe الأساسية تحمل التغيرات الشديدة في درجات الحرارة والإشعاع مع الاستمرار في توليد كميات كبيرة من الطاقة. تضمن هذه القدرة أن المركبة الفضائية يمكن أن تعمل بفعالية في ظروف الفضاء القاسية.

على الرغم من كفاءة المصفوفات الشمسية ، إلا أن ظروف الفضاء يمكن أن تكون غير متوقعة ، وقد لا تكون الطاقة الشمسية متاحة دائما. في مثل هذه الحالات ، توفر بطاريات الليثيوم أيون نسخة احتياطية موثوقة. إنها تخزن الطاقة الزائدة عندما تولد المصفوفات الشمسية أكثر من اللازم وتطلقها بسرعة عندما لا تتوفر الطاقة الشمسية ، كما هو الحال أثناء مرور المركبة الفضائية عبر ظل الأرض. إن كثافة الطاقة العالية لهذه البطاريات ودورة حياتها الطويلة وقدرات الشحن / التفريغ السريع تجعلها مثالية لضمان استمرار إمداد الطاقة في ظل ظروف مختلفة.

مستقبل تكنولوجيا تخزين الطاقة الشمسية

ومع استمرار تقدم تكنولوجيا الفضاء، وتعمق استكشاف الفضاء، من المتوقع أن تلعب تكنولوجيات الطاقة الشمسية والتخزين دورا حيويا متزايدا في البعثات المستقبلية. كما يتضح من نجاحات المركبة الفضائية شنتشو ومحطة تيانغونغ الفضائية ، فإن التحسينات في كفاءة المصفوفة الشمسية وكثافة طاقة البطارية وموثوقية أنظمة الطاقة ستكون حاسمة للبعثات الفضائية الأطول والأكثر تعقيدا.

علاوة على ذلك ، فإن مفاهيم مثل محطات الطاقة الشمسية الفضائية ، التي يمكن أن تولد الطاقة في الفضاء وتنقلها لاسلكيا إلى الأرض أو المركبات الفضائية الأخرى ، تمثل مستقبل استكشاف الفضاء المستدام. لن تلبي هذه التطورات الطلب المتزايد على الطاقة للبعثات المستقبلية فحسب ، بل ستقلل أيضا من التأثير البيئي والاعتماد على الموارد الأرضية.