Table of Contents
الوعد وتحدي السلطة الشمسية الفضائية
(ب) تمثل الطاقة الشمسية القائمة على الفضاء تحولاً أساسياً في توليد الطاقة، وتبشر بإيصال الطاقة النظيفة والقائمة على أساسها بغض النظر عن الطقس الأرضي أو وقت اليوم.() ويقتضي هذا المفهوم، الذي اقترحه الدكتور بيتر غلازر في عام 1968، جمع الطاقة الشمسية في المدار الثابت بالنسبة للأرض، وتحيله دون تناقل إلى محطات استقبال على الأرض، في حين أنَّ تركيبات الطاقة الشمسية في الفضاء هي عوامل مضبة مضرة؛
مفاهيم مبكرة من السبعينات تفترض هياكل ثقيلة ذات إلكترونات بسيطة منخفضة التأثير، وقد تحولت النموذج اليوم إلى نظام نموذجي، ومنصات للوزن الخفيف تعتمد على أجهزة موصلات نصف متطورة ، و شبكات التعبئة ذات النطاق الترددي
هيكل نظام سبايد: منظور إلكتروني
ونظام نظام SBSP هو في جوهره نظام كهربائي متعدد المراحل، فهم البنيان هو مفتاح تحديد المكونات ذات الأثر الكبير التي تملي كفاءة النظام وقابليته للاستمرار عموما، ويقسم النظام عموما إلى ثلاثة مجالات كهربائية: الجزء الفضائي، ووصلة الطاقة، والجزء الأرضي.
الجزء الفضائي: جمع الطاقة وتحويل الترددات
وتؤدّي هذه الفئة من الفضاء مباشرة مهمتين كهربائيتين رئيسيتين: توليد طاقة عالية التأثير من التدفُّق الشمسي وتحويل قدرة هذه البلدان إلى شعاع عالي الطاقة التردد من إذاعة التردد (RF) - إنّ الصفائف الشمسية، التي يُحتمل أن تكون مرتكزة على خلايا متعددة الترددات ذات كفاءة عالية، تنتج كمية عالية نسبياً لتقليل الخسائر I2R.
The Ground Segment: Energy Recovery and Grid Integration
S ground station consists of a large rectennavert the high-T shiftmdash; a field of interconnected antennas and rectifier circuits. Each element of the rectenna incorporates a diode rectifier circuit, filtering, and a power combiner to convert the incident microwave energy back into high-voltage DC or AC power.
وصلة القوة اللاسلكية
ويحدَّد تواتر البث الإذاعي بتردد التردد 2.45 غيغاهيرتز أو 5.8 غيغاهيرتز، ويشمل اختيار التردد تبادلا بين حجم الهوائي واستيعاب الغلاف الجوي وتوافر المكونات، ويظل ارتفاع الترددات (5.8 غيغاهيرتز) يسمح باستبدال هوائيات أصغر، ولكنه يعاني من ارتفاع في الامتصاص في المطر، ويخضع توجيه الشعاع وتثبيته لنظام إعادة توجيه
Harsh Environment Hardening: The Foundation of SBSP Electronics
ويجب أن تكون المكونات الإلكترونية في الفضاء ظروفاً شديدة تتدهور بسرعة المعدات الأرضية القياسية، وبالنسبة لنظام سباحة الفضاء، فإن الجمع بين ارتفاع حجم الطاقة، وارتفاع الطاقة، والبيئة الفضائية يجعل اختيار العناصر مهمة معقدة.
آثار الإشعاع على الطاقة والإلكترونيات
ويمكن أن يتسبب إجمالي الجرعة المتحركة في تحولات في مستوى الفولط المزود بمقياس للجرعات المتعددة الأطراف، كما أن التأثيرات الوحيدة التي تنجم عن هذه الظواهر هي التي تُستخدم في إطار نظام التحكم في الطاقة الصغيرة، والتي تتجاوز مستويات القدرة السائلة، والتي تبلغ 15 إلى 5 سنوات، هي عوامل شديدة التعرض للظواهر المسببة للضغوط (الضوء) التي تُستخدم في إطارها أجهزة التحكم بالأشعة السيليكية (FT) (الغامضة) (الغامضة)
إدارة حرارية في فاكوم
وتولد أجهزة التبريد الإلكترونية قدراً كبيراً من الحرارة، وفي فراغ، تكون آليات التبريد الوحيدة هي التصريف والإشعاع، والإدارة الحرارية هي المحرك المركزي للتصميم، وتولد أجهزة الغاز ذات الكفاءة العالية درجة حرارة أقل، ولكن كثافة حرارة الحرارة المباعة عالية جداً.
إعادة التملص والتسامح في مواقع التقلبات
ونظراً لارتفاع تكلفة الإطلاق وعدم إمكانية الإصلاح المادي في المدار الثابت بالنسبة للأرض، فإن نظم نظام SBSP تتطلب قدراً كبيراً من التسامح إزاء الأخطاء، ويتحقق ذلك من خلال هياكل الطاقة الموزعة (مثلاً، الحاجات الصغرى في العاصمة داخل المنبر) ومن أشكال التكرار التي تُطبق على المضخمين، ويجب أن تكون نظم التحكم قادرة على كشف خطأ (تعطل في الحجم أو تقلص حجم الإنتاج).
تحويل وإدارة قوة الجيل المقبل
وقلب الجزء الفضائي هو نظام إدارة الطاقة وتوزيعها، إذ أن كتلة وكفاءة نظام إدارة المركبات الفضائية يؤثران تأثيرا مباشرا على القدرة الاقتصادية الشاملة لنظام الأفضليات المعمم.
موصلات باندغاب الواسعة: GaN و SiC في الفضاء
(أ) تشغيل أجهزة التحكم في الترددات العالية (HEMT) [FLT:] عالية التردد، وتسمح باستخدام أجهزة التحكم في ارتفاع مستويات الحرارة، وتسمح بإجراء تخفيضات كبيرة في حجم المكونات المغناطيسية (الموصلات، والموصلات) ومكثفات الرش، مما يقلل بشكل مباشر من حجم تطبيقات المركبات الفضائية الناشئة؛
أعلى درجة من المؤثرات في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات
وتُستخدم نظم نظام الأفضليات المعمم في محركات الحافلات العالية (المئات إلى آلاف فولت) للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر المقاومة في أسلاك التوزيع، وتُحدث أعلىيات المحولات المتردية، مثل مشغلي الخواصات المتحولة (الموصلات - الموصلات - المعالجات السريعة) أو محولات الرؤوسيات ذات الكثافة العالية المصممة في نفس الوقت.
أقصى قدر من نقاط القوة في بيئة الفضاء
وتُعدل الخلايا الشمسية في المدارات الفضائية التي تتدهور بمرور الوقت بسبب الإشعاع، وتُطبق في أجهزة قياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس مقياس
نظم آنتينا المتقدمة ورسم الخرائط
ويتطلب نقل الطاقة اللاسلكية استخدام إلكترونيات قوية من أجهزة الترددات المتوسطة التي يمكن أن تتعامل مع مستويات عالية من الطاقة مع الحفاظ على رقابة دقيقة على شكل الشعاع واتجاهه.
مبيد آراي آنتينا وغاز صواريخ غازي
(ب) مجموعة من العناصر المكونة من مئات الآلاف من عناصر النقل الفردية، ويحتاج كل عنصر إلى متغير مرحلة وكمبل، ويمكن التحكم بدقة في مرحلة كل عنصر من العناصر، في الشعاع إلكترونياً دون أجزاء متحركة، وقد كان تطوير Monolithic Microwave Integrated SFMMICs) في تكنولوجيا الغازات المصغرة
التحكم في السلامة والأوراق
ولكفالة بقاء الشعاع عالي الطاقة في مكان آمن على القاع، يستخدم الحزمة التحكم الرجعي، وترسل إشارة تجريبية من مركز الاسترداد، وتتلقى المجموعة الفضائية هذه الإشارة وتنظم مرحلتها وتعيد تحويل الشعاع عالي القوة إلى مسار واحد، وهذا يعمل كنظام آلي للمواءمة، ويكفل بقاء البصمة المغلقة على صفيفة الاستلام حتى لو تحولت المنصة الفضائية إلى مسارات دقيقة للغاية.
Rectenna Technology and RF-to-DC Conversion
وعلى أرض الواقع، فإن عناصر الاسترداد مصممة لاستخلاص الطاقة الميكروويف بكفاءة، كما أن تصميم جهاز الديبول أو الهوائيات المصنوعة من التصحيحات يُستخدم في دائرة الاستجمامات كأجهزة استصلاحية لتحويل مواد الارتداد إلى العاصمة، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة الارتفاع في المصفوفة من نوع ما (أكثر من 80 في المائة) في الكثافة الدنيا التي توجد في حافة التحدي الذي يواجهه المركب.
Intelligent Control, Telemetry, and Autonomy
ومنصة نظام SBSP هي أساسا محطة طاقة مستقلة تعمل في بيئة عدائية تعمل بصورة كبيرة وغير مجهزة، كما أن الأجهزة الإلكترونية المتقدمة للرقابة ضرورية لعملها المأمون والفعال.
دور التعلم في العمليات
ويجري تطوير خوارزميات تعلم الآلات لإدارة البارامترات الصحية والتشغيلية لملايين المكونات الموجودة على متنها، ويمكن أن تُحدِّد أجهزة الاستنشاق شكل الشعاع إلى أقصى حد ممكن من نقل الطاقة عن طريق المحاسبة على الظروف الجوية ودرجة الحرارة الرجعية، والتنبؤ بالفشل في أجهزة تضخم الطاقة عن طريق تحليل التحولات الفرعية في القياس عن بعد، وكشف التداخل بين مختلف وحدات الأشعة.
مرتفع السرعة و وصلات القيادة
وتتطلب المراقبة والرصد وجود صلة عالية السرعة بين الجزء الفضائي والأرض، وتعالج الكترونيات المراقبة الحسابات المعقدة اللازمة لرسم الخرائط، ورصد صحة النظام، والتخفيف من حدة الأخطاء، ويجب تجميع البيانات المستمدة من آلاف أجهزة الاستشعار وتجهيزها ونسخها قبل إرسالها إلى الأرض، وتستخدم البنى المتقدمة لقياس المقاييس عن بعد بروتوكولات قائمة على الشبكة (مثلا، توفر البيانات عن طريق شبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية)
المشاريع الأخيرة للميلستون والشهادات
وقد نقلت عدة مشاريع حديثة نظام سبايد من الدراسات النظرية إلى المظاهرات العملية للمعدات الحاسوبية، مما تحقق من أداء المكونات الإلكترونية المعنية.
مشروع الطاقة الشمسية الفضائية في كالتك
وقد شكل إطلاق Caltech SSPD-1] في كانون الثاني/يناير 2023 معلما هاما، وقد أثبت العرض وجود ثلاث تكنولوجيات رئيسية: نظام MAPLE (MAPLA) (MAPLA) للعرض الفضائي المنخفض المداري، الذي نجح في نقل الطاقة اللاسلكية في الفضاء، واكتشفته على مراحل في موقع استقبال على الساتل؛
الجهود الدولية في مجال البحوث: جاكسا ووكالة الفضاء الأوروبية
اليابان كانت قائدة طويلة الأمد في أبحاث SBSP، بعد أن أظهرت 1.8 كيلوواط من نقل الطاقة عبر الموجات الدقيقة في تجربة أرضية في عام 2015، تتضمن خارطة طريقها عرضاً جغرافياً في الثلاثينات، وتركز مبادرة وكالة الفضاء الأوروبية على بناء قاعدة تقنية وتقييم جدوى تطويرها.
رأس الطريق: من الشهداء إلى خط العداء
ويتطلب الانتقال من مظاهرات التكنولوجيا الناجحة إلى نظام واحد من نظام النظام العالمي لرصد الأرض والتحول إلى نظام متعدد الأطراف للخدمات التغلب على التحديات الكبيرة في مجالات التصنيع والتجمع والسياسة العامة.
الجمعية التأسيسية والوحدوية
ومن أجل توسيع نطاق نظام صنف جيغاوات، يجب تصنيع آلاف الأطنان من الأجهزة الإلكترونية وجمعها في الفضاء، ويتطلب ذلك تحولا من أجهزة إلكترونية ذات تركيبات مصممة حسب الطلب وذات حجم منخفض إلى وحدات آلية قابلة للزراعة ومتصلة بالنظم الآلية ذات الحجم الكبير، وصناعة منخفضة التكلفة من وحدات نموذجية من نوع الفضاء.
توزيع المبيدات والسلامة
وثمة عقبة رئيسية غير تقنية تتمثل في تأمين الموافقة الدولية على نقل الموجات الدقيقة العالية من خلال الغلاف الجوي، كما أن نطاقات التردد المستخدمة في نظام SBSP (2.45 GHz, 5.8 GHz) تتقاسم مع الاتصالات والرادارات الأرضية، ويجب تطوير أجهزة التصفيف المتطورة وأجهزة تشكيل الشعاع لمنع التدخل في الخدمات الأخرى، وتحتاج نظم الأمان إلى آليات متعددة لإغلاق الألواح الصنع، تعتمد جميعها على التلف الكترونيا الجاهزة.
التكلفة والمكونات الاقتصادية
وتتوقف إمكانية بقاء نظام SBSP في نهاية المطاف على التكلفة العالية للطاقة، وتظل التخفيضات في تكاليف الإطلاق (التي تدفعها أجهزة الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام) تغيراً جذرياً في المعادلة الاقتصادية، غير أن تكلفة الخلايا الشمسية ذات الكفاءة العالية، والمركبات العضوية المتعددة الكلورة فلورية، والهوائيات الكبيرة على مراحل، لا تزال كبيرة.