Table of Contents

مقدمة: لماذا مسائل الطاقة الشمسية في الفضاء العميق

وقد واجهت استكشاف الفضاء دائما مشكلة أساسية في مجال الطاقة، فبعدما تسافر مركبة فضائية من الأرض، تزداد صعوبة حمل ما يكفي من الوقود للنشر، ونظم الطاقة، والأدوات الموجودة على متنها، فقد وفرت منذ عقود مولدات الطاقة الكهربائية ذات النظائر المشعة بديلا موثوقا به وإن كان باهظ التكلفة، باستخدام البلوتونيوم - ٢٣٨ لتوليد الكهرباء، غير أن أجهزة الطاقة الكهربائية المزودة بالكهرباء تكون مكلفة، ومقتصرة على التجهيز، وتخضعة لنظم أمنية بديلة صارمة.

وتستكشف هذه المادة تطور الطاقة الشمسية في المركبات الفضائية ومزاياها وتحدياتها وإمكاناتها المستقبلية، مع التركيز على البعثات الطويلة الأمد التي تضغط على حدود المعرفة البشرية والهندسة.

تطور الطاقة الشمسية في مجال المركبات الفضائية

وقد بدأت رحلة الطاقة الشمسية في الفضاء في عام 1958 بإطلاق المركبة الفضائية الأولى من طراز فانغارد، وهي أول مركبة فضائية تستخدم الخلايا الشمسية، حيث تحولت هذه الخلايا المبكرة إلى نحو 6 في المائة من ضوء الشمس إلى الكهرباء، ولكنها أثبتت أن الطاقة الشمسية يمكن أن تبقي على تشغيل السواتل أطول بكثير من النظم البطارية وحدها، وعلى مدى العقود التالية، تحسنت الكفاءة بشكل مطرد، وبحلول السبعينات، حققت صفائف الطاقة الشمسية على السواتل مثل سلسلة لاندسات كفاءة تبلغ حوالي 12 في المائة.

(أ) أن تكون المركبة في المدارات الأرضية، وأن تستخدم المركبات الفضائية خلايا شمسية متعددة الزوايا يمكن أن تحقق الكفاءة التي تتجاوز 30 في المائة من خلال استخلاص مختلف الأحزمة الموجية للضوء، وهذه الخلايا أيضا أخف وأكثر مرونة وأكثر مقاومة للإشعاع من التصميمات السابقة، وقد أدى التقدم من الألواح الجامدة إلى تصفية الرؤوس وكميات قابلة للطيب إلى زيادة الحاجة إلى تعبئة قدر أكبر من الطاقة في شكل مصغر حجم الإطلاق.

خطوط العجلات الرئيسية في تكنولوجيا الفضاء الشمسية

  • 1958:] Vanguard 1 'mdash; first solar-powered satellite
  • 1973:] Skylab 'mdash; first crewed station with large solar arrays
  • 1990:] Ulysses — first solar-powered mission to explore the Sunrsquo;s polar regions
  • 2011:] Juno 'mdash; first solar-powered mission to Jupiter, using three 9-meter panels
  • 2019:] LightSail 2 'mdash; demonstrated solar sailing with ultra-thin reflective sails
  • 2022:] ROSA (Roll-Out Solar Array) deployed on ISS 'mdash; validated light weight, flexible array technology

مزايا الطاقة الشمسية للبعثات الطويلة الأجل

فالقوة الشمسية توفر عدة مزايا متميزة للبعثات التي تمتد سنوات أو حتى عقودا، وهذه الفوائد تجعل من خيارا جذابا بصورة متزايدة لكل شيء من مدار الأرض إلى الكواكب الخارجية.

المصدر المستدام للطاقة

فالكهرباء الشمسية تقلل أو تلغي الحاجة إلى الوقود المستهلك لتوليد الكهرباء، فخلافا للبطاريات الكيميائية أو خلايا الوقود، يمكن أن تنتج الألواح الشمسية الطاقة باستمرار ما دامت تضاءل الشمس، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للبعثات التي تتطلب طاقة طويلة الأجل، مثل المدارات، واليابسات، ومحطات الفضاء، وبتصميم سليم، يمكن أن تعمل الألواح الشمسية لمدة 20 سنة أو أكثر في الفضاء، كما يتضح من مركبة فوجر الفضاء (Vyager) (و).

الموثوقية والقابلية للتنبؤ

ولا توجد في الألواح الشمسية أجزاء متحركة في منطقتها النشطة، مما يجعلها موثوقة في جوهرها، وتتمثل أنماط الفشل الرئيسية في الضرر الإشعاعي، وآثار الميكروميوستير، والتدوير الحراري، التي يمكن التخفيف من كل شيء عن طريق اختيار وتصميم المواد بعناية، ويمكن لمهندسي المركبات الفضائية أن يُنمِّز إنتاج الطاقة باستخدام دقَّة عالية استنادا إلى البارامترات المدارية، وتوجهات تحلل، مما يتيح لمخططي البعثات تحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات وإدارة ميزانيات الطاقة على مدى فترات ممتدة.

القابلية للتسويق والوحدة

ويمكن تصميم صفائف سولارية في مجموعة واسعة من الأحجام، من مغنطيسيات صغيرة ذات قلائل من الطاقة إلى محطات فضائية كبيرة تولد مئات الكيلوات، وتسمح التصميمات الحديثة للنموذج بنشر صفائف في مراحل أو استبدالها في المدار، وتجعل هذه القدرة على التصعيد الطاقة الشمسية مناسبة للبعثات من جميع المستويات، من السواتل التعليمية المنخفضة التكلفة إلى بعثات تبادل المعلومات العلمية ذات الدرجة الرئيسية.

المنافع البيئية والتنظيمية

وتتجنب الطاقة الشمسية استخدام المواد المشعة، وتبسّط عمليات الموافقة على الإطلاق، والحد من المخاطر البيئية في حالة فشل الإطلاق، وإزالة الحاجة إلى التخلص من المصادر النووية في نهاية العمر، وهذا اعتبار متزايد لأن وكالات الفضاء والشركات الخاصة تخطط لمستقبل يضم مئات أو آلاف السواتل في المدار، وكذلك البعثات المجمّعة إلى المريخ وما وراءه.

التحديات والابتكارات

وعلى الرغم من مزايا الطاقة الشمسية، فإنها تواجه عقبات تقنية حقيقية، لا سيما بالنسبة للبعثات التي تغامر بعيدا عن الشمس أو تعمل في بيئات مظللة، ويعمل الباحثون والمهندسون بنشاط على إيجاد حلول لكل تحد.

تدهور الترسب

وعلى مر الزمن، تلحق جسيمات الطاقة العالية من الشمس والأشعة الكونية أضرارا بالهيكل البلوري للخلايا الشمسية، مما يقلل من كفاءتها، وهذا التأثير أشد في أحزمة فان آلن وخلال الذباب الشمسية، حيث يمكن للزجاج المتطور والغطاء الواقي أن يخفف بعض هذا الضرر، كما أن المواد ذاتية الاحتراق (التي يمكن أن تشفى الضرر الإشعاعي في درجات حرارة معينة) هي منطقة نشطة من البحوث.

Inverse Square Law and Distance from the Sun

ويقلّص الإشعال الشمسي بمساحة المسافة من الشمس، ففي المريخ، يبلغ ضوء الشمس 43 في المائة تقريباً في الأرض، وفي المشتري، ينخفض إلى 4 في المائة فقط من صفائف الفضاء الشمسية؛ ويستخدم هذا المستوى البعثات إلى الكواكب الخارجية صفائف أكبر بكثير أو يجب أن تكملها بمصادر أخرى للطاقة، وتُستخدم الابتكارات مثل النظم ذات القدرة العالية على إحداث التحول الضوئي (تركيز الضوء العالي أو المرايا على الشمس).

تخزين الطاقة وطاقة الليل

فالمركبات الفضائية في الظل (مثلا، الجانب الليلي من كوكب أو بالقرب من القطب) تحتاج إلى بطاريات أو غيرها من تخزين الطاقة للحفاظ على العمليات، وبالنسبة للبعثات الطويلة الأجل، يمكن أن تؤدي دورات تخفيف الرسوم إلى إزالة البطاريات بمرور الزمن، كما أن البطاريات ذات القدرة العالية على الكفاءات والتي تبلغ فيها الحياة الطويلة هي الآن مستويات قياسية، كما أن بطاريات الطاقة الصلبة تُعد في الأفق.

النشر والتصميم الهيكلي

ويجب أن تُمنح صفائف شمسية كبيرة من أجل الإطلاق ثم تُنشر بشكل موثوق في فراغ الفضاء، ويمكن أن تتسبب الآليات في التشويش، ويمكن أن يؤدي التوسع الحراري إلى مسائل المواءمة، وتشمل تقنيات النشر الجديدة صفائف النشر (مثل المكتب الإقليمي لأفريقيا)، والصفائف المتعددة المعجبين، والازدهارات المشتعلة، وقد أظهر تلسكوب جيمس ويب الفضائي (وإن لم يتم تطويره بالطاقة الشمسية من أجل الدفع) تسلسلاً معقدّراً.

الإدارة الحرارية

فالمصفوفات الشمسية لا تستوعب الضوء فحسب، بل تولد الحرارة أيضا، وتولد الكترونيات المركبة الفضائية حرارة النفايات، وفي فراغ الفضاء، يكون التبريد صعبا، ويستخدم الرواسب والأنابيب الحرارية لتبريد الحرارة، ولكن يلزم تصميم دقيق لمنع التسخين المفرط للخلايا الشمسية (التي تقلل من كفاءتها) والأدوات الحساسة، كما أن المعاطف الرطوبة الحرارية وثبات التبريد النشطة هي معايير في المركبات الفضائية الحديثة.

البعثات الحالية التي تدفع الحدود

وتظهر عدة بعثات جارية وقادمة تزايد قدرة المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية على استكشافها في الأجل الطويل.

جونو في جوبيتر

NAS[A[US Juno mission, launched in 2011 and around Jupiter since 2016, is powered by three massive solar arrays, each 9 meters long. Despite operating in an environment where sunlight is 25 times weaker than at Earth, Junorsquo;s arrays generate enough power for its instruments and electronics. The mission has far exceed its original planned atmosphere and continues to return groundbreaking data on Jupiter.

الروح: السلطة الشمسية إلى حزام الكويكب

NAST most crews;s Psyche mission, launched in 2023, is on its way to a metal-rich asteroid in the main asteroid belt between Mars and Jupiter. It uses a couple of large solar spectrums that generate about 3.4 kilowatts at Earthrsquo;s distance but only about 1.2 kilowatts at the asteroid.

المريخ روفرز ولاندرز

وتتحمل وكالة ناسا أجهزة كهرباء، كما أن مهبطاً في المنطقة الساحلية، وروح وخيارات استكشاف المريخ السابقة، كلها تعتمد على الطاقة الشمسية، وتشغل الفرص لمدة 15 سنة تقريباً، وتتجاوز إلى حد بعيد مدة تصميمها التي تمتد ثلاثة أشهر، وذلك بفضل ما تقوم به من عمليات تطهيرية شمسية بصورة دورية بواسطة الرياح المريخية، كما أن " التفريغ الفاصلي " يستخدم نظاماً للطاقة الشمسية غير المتجانسة.

المستقبل: ما يأتي التالي

وسيشهد العقد المقبل دفعة مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية إلى مناطق النظام الشمسي كانت ذات مرة المجال الحصري للطاقة النووية، وهناك اتجاهات عديدة تقارب لجعل ذلك ممكنا.

خلايا ومواد الشمس العالية الكفاءة

ويمكن أن تؤدي البحوث في الخلايا الشمسية المشبع بالزوارق، والخلايا المتعددة الزوابق التي تحتوي على خمس أو أكثر من الزوابق، والفولطيات الضوئية التي تستخدم كمياً إلى زيادة كفاءة التحويل إلى ما يزيد على 50 في المائة، ويمكن أيضاً جعل هذه المواد مرنة وخفيفة، مما يتيح إمكانية استخدام صفائف أكبر يمكن أن تُدوَّل أو تُطوَّر في أحجام الإطلاق الصغيرة.

Solar Sailing and Propellant-Free Propulsion

فالأبحار الشمسية تستخدم ضغط ضوء الشمس نفسها لدفع المركبات الفضائية، مما لا يتطلب أي دافع على الإطلاق، كما أن جمعية الكوكبيات " لايت سيل " أظهرت أن بحار الشمس في مدار الأرض في عام 2019، كما أن نظام " ناساسكو " ، الذي سيولد بعثة " سولار كروز " (المخططة لتأخر عام 2020) سينشر صورة دفعية بطول 000 19 قدم لإظهار الدفع إلى الفضاء القريب.

الصيانة الذاتية والإعادة الذاتية

وقد تشمل المركبات الفضائية المقبلة الأسلحة الآلية أو الطائرات الآلية التي يمكن أن تفتش وتنظف بل وتحل محل الألواح الشمسية في المدار، ويجري تطوير مفاهيم للخلايا الشمسية التي تُعالج ذاتيا، باستخدام مواد إصلاحية مجهزة بالقطع تنشط عند شكل الشقوق، وستكون هذه القدرات أساسية للبعثات التي ستنشأ في العقود الأخيرة، مثل مساحات السلائف المتقاطعة أو الموائل الطويلة الأمد حول القمر أو المريخ.

هيكل الطاقة الهجينة

وبالنسبة للبعثات إلى النظام الشمسي الخارجي، فإن اتباع نهج هجين يجمع بين صفائف الطاقة الشمسية ومفاعلات الانشطار النووي الصغيرة أو وحدات النظائر المشعة المتقدمة يمكن أن يوفر أفضل العالمين: قوة وفرة قريبة من الشمس، وقوة موثوقة في ظلام عميق خارج المشتري، وقد أثبت مشروع الطاقة الكيلوتية، الذي تقوده ناسا وإدارة الطاقة، وجود مفاعل صغير من شأنه أن يولد باستمرار 10 كيلو مترات.

البعثات إلى المخططات الخارجية وما بعدها

ويجري حاليا دراسة مقترحات للبعثات العاملة بالطاقة الشمسية إلى زحل وأورانوس ونبتون، وهي تتطلب صفائف أكبر من عدد من المرات من جونورسكو؛ ويمكن أن تستخدم مراكز لتعزيز كثافة الشمس الفعالة، كما أن النظام الأوروبي للفضاء لا يزال قائما؛ ومصدرا للمصادر التي تستكملها مجموعة مصادر الطاقة الشمسية، وسلسلة الطاقة التي تولدها تيتانر، باستخدام مجموعة من أجهزة الرصد الجوي التي تستخدم مجموعة من أجهزة الاستطلاع بالطاقة الشمسية.

الخلاصة: الطاقة الشمسية بوصفها العمود الفقري لاستكشاف الفضاء المستدام

وقد أثبتت الطاقة الشمسية أنها مصدر للطاقة موثوق به ومتقن ومتزايدة الكفاءة بالنسبة للمركبات الفضائية، ومن الأيام الأولى لفانغارد 1 إلى البعثات الأخيرة التي تستكشف حزام الكويكب والمشتري، فإن التكنولوجيا الشمسية ستمكن البعثات التي كان من الممكن أن تكون مستحيلة مع الطاقة الكيميائية أو النووية وحدها، وتواجه تحديات التصميم الإشعاعي والمسافة وتخزين الطاقة بمواد مبتكرة، وتقنيات النشر، والهيكلات الهجينة في المستقبل.

إن مستقبل المركبة الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية ليس فقط حول الألواح الأكبر أو أكثر كفاءة، بل يتعلق بإدماج توليد الطاقة في كل جانب من جوانب مركبة فضائية؛ وتصميمها، من الاندفاع إلى دعم الحياة للصكوك العلمية، مع استمرار الاستثمار في البحث والتطوير، ستمكن الطاقة الشمسية البعثات التي تبدو اليوم بعيدة عن المشتري مرة واحدة.