وقد تطورت تكنولوجيا السواتل تطورا كبيرا على مدى العقود الستة الماضية، حيث تحولت من نقلات الاتصالات البسيطة إلى منابر متطورة تستكشف الكويكبات، وأجهزة طلاء الخرائط، وتدعم الاتصالات العالمية، وتعتمد نجاح أي بعثة طويلة الأجل على عامل وحيد لا يمكن التفاوض بشأنه: وهو إمداد موثوق ودائم بالطاقة، في حين أن الألواح الشمسية هي الأداة التي تُستخدم في مدار السواتل، أو البعثات التي تبعد عن الشمس أو تعمل على مدى عقود من الزمن.

الدور الحاسم لتخزين السلطة في البعثات الفضائية الطويلة الأمد

وتسدّد أجهزة تخزين الطاقة الفجوة بين توليد الطاقة واستهلاكها، ففيما يتعلق بالسواتل في المدار الأرضي المنخفض، تولد الألواح الشمسية الطاقة أثناء الجزء المشرق من المدار، ولكن خلال مرحلة الكسوف التي يمكن أن تستمر حتى 35 دقيقة - يجب أن يعتمد الساتل على بطارياته، وتعاني السواتل ذات المدار الثابت بالنسبة للأرض من كسوف أطول، ولا سيما أثناء موسم النسيج، عندما تكون في ظل الضغوط على مدار ساعة متدرجة.

وعلاوة على ذلك، فإن السواتل الحديثة تحمل أدوات متزايدة القوة - كاميرات عالية الاستبانة، ورادارات ذات فتحة اصطناعية، ومطيافات متقدمة - تنفجر من الطاقة الوطيدة إلى أبعد من متوسط الحمولة، ويجب أن يتصدى نظام تخزين الطاقة لهذه المسامير دون المساس بصحة مصدر الطاقة الرئيسي، وفي حالة البعثات المشتركة بين الكواكب، يجب أن يصمد نظام التخزين أمام تفاوتات حرارة شديدة، والتعرض للإشعاع، وظروف الفراغ.

الحدود الحالية لنظم الطاقة الساتلية التقليدية

تدهور البطارية وازدهار القدرات

وتختفي البطاريات التقليدية لليثيوم - وهي المعيار الذي تستخدمه معظم السواتل اليوم - من القدرة التدريجية بسبب تشكيل طبقات ثابتة للكهرباء المتقطعة وبطاقات الليثيوم أثناء دورات إزالة الرسوم، وفي ساتل نموذجي من طراز ليو، قد تفقد بطارية تلسكوب الليثيوم 10-20 في المائة من قدرتها الأصلية بعد خمس سنوات من التشغيل.

صعوبات الإدارة الحرارية

فالبطاريات تولد الحرارة أثناء التشغيل، وفي فراغ الفضاء، لا يمكن تفريق الحرارة عن طريق التكفير، إذ يجب أن تبعد نظم الإدارة الحرارية الفعالة الحرارة الزائدة عن الحاجة، مما يزيد من التعقيد والكتلة، وعلى العكس من ذلك، يجب أن تعمل البطاريات عند درجات حرارة منخفضة تقلل من معدلات التفاعل الكيميائي، مما يحد من إنتاج الطاقة، كما أن النظم التقليدية للظل السائلي أو الصبغة الحرارية هي درجة حرارة القصوى(10).

الإشعاع وآثار المغامرة الواحدة

ويستحم الفضاء في الإشعاع المؤين من الشمس والأشعة الكونية، فمع مرور الوقت، يحلل الإشعاع المواد الكهروليتية والكهربائية في البطاريات، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية وانخفاض القدرة، وبالنسبة للبعثات التي تقطع أحزمة فان ألين، مثل تلك التي تتجه إلى الكواكب الخارجية، فإن التسبب في زيادة الوزن والتكلفة، بالإضافة إلى أن الجسيمات الإلكترونية المتسرعة يمكن أن تسبب اضطرابا في إدارة واحدة.

محدودية كثافة الطاقة وضغوط الكتلة

وكل كيلوغرام يُطلق في المدار يكلف آلاف الدولارات، فالبطاريات التقليدية لها كثافة طاقة تقارب 150 إلى 250 كيلو متراً مربعاً، وبالنسبة لسواتل تتطلب 10 كيلوواط من القدرة على التخزين، يمكن أن تزن البطارية وحدها 40 إلى 70 كيلوغراماً، أما بالنسبة لبعثات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي يعمل في نقطة لاغرانج ويحتاج إلى طاقة مستمرة حتى عندما يُسحب من الشمس، فلا بد من الكتلة الكثافة أعلى.

Promising Innovations in Energy Storage Technologies

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

وتستبدل بطاريات الدول الصلبة التي تُجرى في الزنزانات الكهروليتية السائلة الموجودة في خلايا الليثيوم التقليدية التي تحتوي على خزائن صخرية صلبة أو متعددة الزنزانات، مما يؤدي إلى مزايا عديدة بالنسبة للتطبيقات الفضائية، أولاً، أن تكون البطاريات الكهربائية الصلبة غير قابلة للاشتعال، وتزيل تقريباً خطر التعرض للصدمات الحرارية - وهي استحقاق حرج من أجل البعثات المطأة.

المكثفات والنظم الهجينة

كما أن الكفاءات تخزن الطاقة الكهربائية بدلا من الكيميائي، مما يتيح لها شحنها وتصريفها في ثوان مع انخفاض طفيف على ملايين الدورات، كما أن كثافة الطاقة فيها منخفضة (5-10 و/كغ)، ولكن كثافة الطاقة فيها عالية جدا (000 10 و/كغ) مما يجعلها مثالية لمعالجة متطلبات الطاقة القصوى - مثل عندما تعمل حرائق أجهزة إرسال رادارية أو محطة اتصالات لازرية - دون أن تؤكد على ذلك.

Radioisotope Power Systems (RPS)

وتحوّل نظم الطاقة الثلاثية النظائر الحرارة من التحلل الإشعاعي (عادة البلوتونيوم-238) إلى الكهرباء عن طريق أجهزة التفريغ الحراري، وخلافا لنظم الطاقة الشمسية أو البطارية، توفر هذه الأجهزة طاقة مستمرة مستقلة عن ضوء الشمس، مما يجعلها أساسية بالنسبة لأجهزة التحكم في الفضاء العميق، ولا تزال المركبة الفضائية الصوتية التي أطلقت في عام 1977 تنقل البيانات من الفضاء بين النجوم بفضل مولداتها اللاسلكية المتعددة الترددات.

التكنولوجيات الناشئة: ليثيوم - سولفور، البطاريات المتدفقة، وخلية الوقود

إن بطاريات سلف الليثيوم توفر كثافة استهلاكية للطاقة من 500 إلى 600 وكيلوغرام، باستخدام سلفونات وفرة وغير مكلفة، وهي أخف من سعر الليثيوم وأقل عرضة للطرق الحرارية، غير أنها تعاني من مكوكات متعددة الكبريتات، التي تقلل من عمر الدورة، وقد أدت البحوث الأخيرة في مؤسسات مثل جامعة ميتشيغان ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا إلى تخفيف حدة قضايا الكبريت.

إن البطاريات المتدفقة التي تخزن الطاقة بالكهرباء السائلة في الصهاريج الخارجية غير عملية الإطلاق بسبب حجمها واحتياجاتها من الضخ، ولكن بالنسبة لقواعد القمر أو قواعد المريخ، يمكن أن تخزن بطاريات التدفق فائض الطاقة الشمسية خلال دورات الليل الطويلة، باستخدام المواد المصدرة محلياً ككهرباء، وبالمثل، فإن خلايا الوقود المتجددة - حيث تقسم المياه إلى الهيدروجين والأكسجين أثناء ضوء الشمسي، ثم تُعيد تركيبها

الهندسة المعمارية ذات الأداء الأمثل

ولا تلبي تكنولوجيا التخزين الوحيدة جميع متطلبات بعثة طويلة الأجل: كثافة الطاقة العالية، وكثافة الطاقة العالية، وحياة الدورة الطويلة، والتسامح الحراري الواسع، ومقاومة الإشعاع، ولذلك فإن معظم المركبات الفضائية المتقدمة تستخدم هياكل هجينة تجمع بين تكنولوجيات متعددة، وقد تتضمن مجموعة نموذجية من المواد الكيميائية في الفضاء العميق قوة الدفع الأساسية، وبطارية لتوليد الطاقة الكهربائية، وكمية من الغازات الخفيفة، وكمية من إنتاج المواد الكيميائية.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

محطة الفضاء الدولية

وتدير محطة الفضاء الدولية أكبر نظام لتخزين الطاقة في الفضاء، حيث توفرت عدة جمعيات للبطارية 8.4 ميغاواط من تخزين الطاقة، واستُعيض عن البطاريات الأصلية للنيكل الهيدروجينية بوحدات ليونية ابتداء من عام 2017، مما يدل على انخفاض في الكتلة وزيادة في الكفاءة بنسبة 50 في المائة، حيث تبلغ قيمة كل وحدة من وحدات البطاريات حوالي 200 كيلوغرام وتوفر 1.6 كيلوواط من الطاقة الصالحة للاستخدام.

المريخ روفرز ولاندرز

وقد اعتمد كل المريخ في وكالة ناسا على الألواح الشمسية والبطاريات القابلة للشحن، حيث استخدمت بطاريات الليثيوم التي توفر طاقة تبلغ حوالي ٨ آه، والتي أتاحت لها البقاء على قيد الحياة في ليال المريخ الباردة وإعادة شحنها خلال اليوم، حيث كانت توجد في الوقت المناسب تقديرات لحجم الطاقة الكهربائية، حيث تجاوزت هذه الأرقام في فترة الاقتناء الأولى التي تبلغ فيها قيمة البطاريات ٩٠ يوما.

The James Webb Space Telescope (JWST)

ويشغل الصندوق في المنطقة الثانية حوالي 1.5 مليون كيلومتر من الأرض، حيث يقع معظمه في ضوء الشمس، غير أنه خلال المناورات التي تحلق أو عندما تحجب الشمس الأرض أو القمر، يعتمد على بطارية تبلغ 1.5 كيلوواط، وتزيد البطارية عن القدرة على تصريف المياه في فترات التصريف الأسوأ، وتحافظ على الطاقة الحرارية التي تحافظ على أجهزة التلسكوب عند درجة حرارة مبردة تبلغ 5 في المائة.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

علوم المواد والكهرباء المتقدمين

ويستكشف الباحثون الأنوداس السيليكونية التي يمكن أن تخزن أكثر عشرة أضعاف الليثيوم من الأنودزات الغرافيتية، والتي يمكن أن تزيد كثافة الطاقة إلى 700 و/كغ. كما أن شركة سيليكون تتوسع وتعقد عقوداً أثناء التدوير، وتتسبب في التفتت؛ كما أن تصميمات السيليكون الجديدة التي تُعدّ من قبيل المثقفات السيليكونية أو السيليكون المخرفة يمكن أن تُستوعب هذه التغيرات في حجمها.

3D Printing and In-Situ Resource Utilization (ISRU)

ويمكن لموائل الأنهار أو المريخية في المستقبل أن تستخدم الطباعة بواسطة 3D لتصنيع عناصر البطاريات من الموارد المحلية، وقد أثبت الباحثون في وكالة الفضاء الأوروبية طباعة عناصر البطاريات الصلبة باستخدام محفزات قمرية كغديل، كما أن الإنتاج في الموقع يقلل من الكتلة اللازمة لتخزين الطاقة الكهربائية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للهيدروجين والأكسجين لإنتاج خلايا الوقود التراكمية من منظومات تخزين المياه الموجودة في المستقبل.

تعليم الآلات لإدارة البطاريات

ويجري إدماج الاستخبارات الفنية في نظم إدارة البطاريات للتنبؤ بالشيخوخة والارتقاء إلى الحد الأمثل في صور الشحن في الوقت الحقيقي، ومن خلال تحليل بيانات القياس عن بعد مثل الفولطية، والحالية، ودرجة الحرارة، والارتباط، يمكن لنماذج التعلم الآلي أن تكشف عن علامات التدهور المبكر وأن تعدل البارامترات إلى مدى الحياة، وقد اختبرت الوكالة الوطنية للاستخبارات البريطانية على نظام الرصد الدولي، وهي بصدد إعداد أفضلية لنشرها في الأجل الطويل.

خاتمة

إن مستقبل استكشاف الفضاء الطويل الأمد لا يتوقف على الابتكارات في مجال تخزين الطاقة، إذ أن البطاريات ذات الوضع الصلب، والمركبات الخارقة، والنظم المتطورة للنظائر المشعة، والهيجينات هي التي تمكن البعثات التي يمكن أن تعمل على مدى عقود بعيدا عن الأرض، ولا تقتصر هذه التكنولوجيات على تحسين كثافة الطاقة وحياة الدورة فحسب، بل تصبح أيضا أكثر قدرة على مواجهة الظواهر الفريدة من حيث الإشعاع والفراغ ودرجات الحرارة القصوى.