Table of Contents
ومع زيادة دفع البشرية إلى الكون، تزداد أهمية الحاجة إلى مصادر طاقة موثوقة ومستدامة لسواتل الفضاء العميقة التي تدوم مدا طويلا، وتؤدي هذه السواتل أدوارا حيوية في مجالات الاتصال والملاحة والبحث العلمي، التي كثيرا ما تعمل بعيدا عن متناول الشمس، ويضمن وضع حلول مبتكرة للطاقة طولها ونجاحها التشغيلي على مدى عقود أو حتى على مدى أطول.
الطلب على الطاقة الوحيدة من السواتل الفضائية العميقة
فسواتل الفضاء العميق تعمل في نظام يختلف اختلافاً جوهرياً عن نظيراتها في مدار أرضي منخفض، حيث يمكن أن يعتمد ساتل الاتصالات النموذجي في المدار الثابت بالنسبة للأرض على ضوء الشمس الوافر في معظم السنة، ويواجه المسبار المتجه إلى الكواكب الخارجية كثافة طاقة تنخفض بمساحة معضبة مسافات الشمس، وفي المشتري، تبلغ طاقة الترميز الشمسي نحو 4 في المائة من تلك التي تُصمم في الأرض؛
كما أن البيئة الحرارية تعاقب بنفس القدر، إذ يجب أن تنجو المكونات من تقل درجات الحرارة عن 200 درجة مئوية في الظل إلى أكثر من 100 درجة مئوية عندما تتعرض للإشعاع المباشر، تبعاً لتوجه المركبات الفضائية، وأن يكون الإشعاع من الأشعة الكونية المجرية والظواهر الجسيمية الشمسية قد يحلل الخلايا الفولطية الضوئية، والدائرة الإلكترونية، وكيمياء البطاريات بمرور الوقت، علاوة على أن الصيانة أو الاستبدال أمر مستحيل بمجرد إطلاق نظام ساتلي.
المكوّنات الرئيسية الحالية: مولدات كهربائية تعمل بالأشعة الشمسية
وبالنسبة للبعثات التي تتجاوز النظام الشمسي الداخلي، كان هيكل العمل المثبت هو المولد الشعاعي لبطاقة حرارة النظائر، حيث تحولت أجهزة التزود بالأشعة الحرارية إلى الحرارة التي تطلقها التحلل الإشعاعي الطبيعي للبلوتونيوم - 238 إلى كهرباء باستخدام أجهزة الترموس - الولاة بدون قطع حركية، وهذا التبسيط يعطي درجة الموثوقية غير العادية؛ أما المركبة الفضائية الفياغرية الدوارة فكانت تعمل تدريجيا في عام 1977.
وتتوقف مهمة كاسيني إلى زحل، وهي رحلة جديدة من البلوتو، وجوارات المريخ والمثابرة على مجموعات من المواد المشعة، غير أن هذه الغازات لا توجد قيود، حيث لا تزال كفاءة هذه المواد عادة تتراوح بين 6 و8.8 في المائة، مما يعني أن معظم المواد التي تولدت تهدر، وتحتاج إلى إمدادات ثابتة من البلوتونيوم - 238، التي لا تنتج إلا في مفاعلات متخصصة.
أجهزة راديو متطورة
تركيز جهود البحث على تحسين كفاءة تحويل الطاقة الحرارية، إذ يمكن أن تؤدي المواد الجديدة مثل أجهزة التبريد الاصطناعي وأجهزة كهرباء مجهزة بأجهزة مجهزة بالأجهزة الكهربائية (MMR-FT) إلى زيادة كفاءة التحويل إلى 10-15 في المائة.
دور السلطة الشمسية في النظام الشمسي الخارجي
بينما لا يمكن أن تكون هذه الألواح الشمسية غير عملية بالنسبة للبعثات إلى زحل وما بعده، فإنها لا تزال صالحة لبعض التطبيقات الفضائية العميقة، وتستخدم مركبة جونو الفضائية في المشتري ثلاث صفائف شمسية كبيرة، كل 8.9 متر، لتوليد حوالي 500 واط في مسافة المشتري، وهذا محتمل لأن جونو يعمل في بيئة إشعاعية شديدة الحساسية نسبياً ولديه مدار فعال يبقي الصفائف غير مأمونة.
وفيما يتعلق بالمواقع التي تبعد عن مسارها، أورانوس، فإن تدفق الفول السوداني في نبتون يصبح ضعيفاً جداً بالنسبة للتحول الفولطائي التقليدي، غير أن التقدم المقبل في خلايا متعددة الكفاءات (التي تتجاوز حالياً 40 في المائة تحت الضوء المركز) والوزن الخفيف، والهيكلات القابلة للانتشار يمكن أن تدفع الحدود إلى الخارج.() وثمة مفهوم آخر هو استخدام
تكنولوجيات المفاعل النووي الناشئة للفضاء
أما بالنسبة للبعثات التي تتطلب قدرة مستمرة في عشرات إلى مئات الكيلوات - مثل نقل الاتصالات في الفضاء العميق، والموائل السطحية على سطح القمر أو المريخ، أو الدفع الكهربائي النووي لنظم النظائر المشعة المزودة بالطاقم، فهي غير كافية، إذ أن مفاعلات الانشطار النووي الصغيرة توفر حلا قابلا للتكرار.
(أ) أن يكون المفاعل مدمجاً وخفيفاً، مع مواد عالية الحرارة يمكن أن تصمد أمام البيئة الحرارية المكثفة؛ ثانياً، يتطلب المفاعل جهازاً للتبريد من النفايات، وحجم مقياس المبردات مع تفكك حرارة النفايات.() ثالثاً، تتطلب أنظمة الأمان أن يظل المفاعل دون حرارة أثناء الإطلاق، وأن يصبح جاهزاً للعمل مرة واحدة في الفضاء.
"فيزيون ضد راديوسوبو" متى يستخدم أيهما؟
ويتوقف الاختيار بين أجهزة خفض الانبعاثات ومفاعلات الانشطار على مستوى الطاقة ومدة البعثة، وتهيمن على مجموعات الطاقة المتجددة بالنسبة للبعثات التي تحتاج إلى بضع مئات من الخرطوش لمدة عقود - ويثبت موثوقيتها، وتُدار تكلفة الوقود، وتصبح مفاعلات الطاقة الكهربائية جذابة فوق حوالي 10 كيلوواط، حيث تصبح الميزة الجماعية للمفاعل على عدد مماثل من أجهزة رادارات الترددات العالية الترددات.
السلف في مجال تخزين الطاقة وإدارة الطاقة
ولا يوجد نظام لتوليد الطاقة مثالي لجميع المراحل التشغيلية، إذ تسدّق الطاقة الفجوة بين الطلب على الذروة ومتوسط التوليد، وفي الفضاء العميق، يجب أن تعمل البطاريات في درجات حرارة قصوى وأن تنجو من آلاف دورات الترميم التي تستخدمها. البطاريات ذات الكثافة الطويلة أصبحت المعيار الذي تستخدمه معظم المركبات الفضائية، مع تصميمات مصممة خصيصاً لبعثات منخفضة للتنفير الذاتي والتسامح إزاء الفراغ.
وفيما عدا التخزين الكهروكيميائي، يمكن أن يُقترح تخزين الطاقة flywheel energy storage باستخدام مصادر الطاقة الكهربائية المحدودة في محركات الدوارة، أو في الفضاء، فإن عدم الاحتكاك من الهواء يسمح بسرعات عالية جداً من التناوب والكفاءة فوق 90 في المائة.
ويجب أن تكون أجهزة التحكم في إدارة الطاقة مصحوبة بالإشعاع وكفاءتها، كما أن أجهزة التحكم الحديثة maximum power point tracking (MPPT) قد تحول إلى أعلى مستوى للفولط من صفائف الطاقة الشمسية أو مجموعات الغازات المحتوية على أشعة مقطعية، بينما ] تعمل أجهزة تحويل حافلة ذات قدرة متطورة مع ما يتجاوز عدد الخسائر غير المخفضة إلى 95 في المائة.
تحويل الطاقة اللاسلكية إلى السواتل
ومن بين المفاهيم الأكثر جدوى بالنسبة للطاقة الفضائية العميقة المستدامة نقل الطاقة اللاسلكية، ويمكن أن تكون محطة مدارية قوية أو ساتل ذو طاقة شمسية قد تحوم طاقة إلى جهاز استقبال على مركبة فضائية أخرى تستخدم الموجات الدقيقة أو الليزر، والميزة هي أن مصدر الطاقة المركزي يمكن أن يوفر سواتل متعددة، مما يقلل من الحاجة إلى كل منها لحمل مولدها، مثلا، يمكن أن تُستخدم في تركيب أجهزة اتصال فضائية ذات وزن في محطة نووية واحدة.
وقد ثبت أن نقل الطاقة اللاسلكية على الأرض على مسافات عدة كيلومترات وفي التجارب الفضائية إلى الأرض، وأن التحديات في الفضاء العميق هائلة: إذ يجب أن يكون الهدف من الشعاع هو على وجه التحديد هو أكثر من ملايين الكيلومترات، وأن كفاءة التحويل من الكهرباء إلى الموجات الدقيقة والكهرباء عادة ما تكون 30 إلى 50 في المائة، ويجب أن تكون المجموعة المتلقية كبيرة بما يكفي لاستخلاص جزء مفيد من أجهزة الشعاع.
الاستدامة والتكرار في تصميم نظام الطاقة
ولا تقتصر الاستدامة في الطاقة الفضائية العميقة على مصدر الوقود؛ بل تشمل أيضا طول مدة النظام وقدرته على العمل دون تدخل بشري ومقاومته للتدهور؛ ويستخدم المهندسون استراتيجيات متعددة لإعادة التكرار: اثنتان من RTG، وسلاسل متعددة للبطارية، وأجهزة متعددة لتحويل الطاقة تكفل عدم إبطال أي عنصر من مكونات المركبة الفضائية.
ومن الجوانب الحاسمة الأخرى، أن الألواح الشمسية والبطاريات والإلكترونيات محمية أو تختار للتسامح مع الإشعاع الجسيمات، وبالنسبة للبعثات إلى العملاق الجليديين (أورانوس، نبتون) أو حزام كويبر، يجب أيضا أن تنجو المركبة الفضائية من حزام الإشعاع المكثف حول المشتري إذا استخدمت مساعدة الجاذبية، وتتحول إلى كتلة، بحيث ينتقل المصممون إلى مواقع حساسة بين الفرز المحركات الإلكترونية.
وأخيراً، تعني الاستدامة التقليل إلى أدنى حد من الأثر البيئي على أي هيئات خارجية محتملة، ويجب تصميم مصادر الطاقة النووية بحيث تكون غير متعمدة في حالة حدوث تحطم في القمر أو الكوكب، وضمان عدم تفريق المواد المشعة، والمبدعين الدوليين [(FLT:0]]] المعنيين باستخدام مصادر الطاقة النووية في الفضاء الخارجي ، اللذين أنشأتهما لجنة الأمم المتحدة المعنية باستخدام الفضاء في الأغراض السلمية.
The Path Forward: Hybrid Systems and Future Concepts
ونظراً لمواطن القوة الفضائية العميقة ومواطن الضعف في كل تكنولوجيا، فإن مستقبل الطاقة الفضائية العميقة يرجح أن يكون في النظم الهجينة التي تجمع بين مصادر متعددة، ويمكن أن يعتمد الساتل على مفاعل نووي أولي لتحميل الطاقة الأساسية، يستكمل بلوحات شمسية لتحميل الذروة عندما تكون المركبة الفضائية في النظام الشمسي الداخلي، وبطاريات كبيرة للسيارات أو نبضات عالية الطاقة.
Other advanced conversion technologies are on the horizon. Alkali-metal thermoelectric converters (AMTECs)] convert heat directly to electricity with no moving parts and theoretical efficiencies of up to 20%; they operate at high temperatures (800-1000°C) and could be fueled by radioisotopes or reactor
وفي الأجل الطويل، يمكن أن توفر ] في الموقع استخدام الموارد ] (ISRU) على القمر أو المريخ أو الكويكبات الوقود لتوليد الطاقة: استخراج الهيليوم-3 لمفاعلات التبخير المحتملة (طلقة طويلة جدا)، أو بناء صفائف شمسية من السيليكون المحلي والغاليوم، مما سيقلل بدرجة كبيرة من حجم الكتلة التي يجب أن تُطلق من الأرض.
خاتمة
إن إيجاد حلول مستدامة للطاقة في السواتل الفضائية العميقة التي تمتد مداها طويلا هو تحد هندسي متعدد الأوجه يتطلب الابتكار عبر التخصصات، ومن الموثوقية المثبتة للمولدات الكهربائية الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة إلى الوعد الذي تبشر به مفاعلات النسيج الصغيرة، ونظم التخزين المتقدمة، وحتى نقل الطاقة اللاسلكية، فإن لكل تكنولوجيا دور تؤديه، ويتوقف اختيار نظام توليد الطاقة لبعثة معينة على مسافة بعيدة من الشمس، وعلى مستوى القدرة المطلوبة، وعلى مدى فترة البعثة.