חידושים במערכות אחסון חשמל למשימות ארוכות טווח

הטכנולוגיה של הלוויין התפתחה באופן דרמטי במהלך ששת העשורים האחרונים, מה שהפך מהודעות תקשורת פשוטות לפלטפורמות מתוחכמות המבחנות אסטרואידים, מפה כוכבי לכת, ותומך בתקשורת גלובלית.הצלחתה של כל משימה ארוכת טווח שהולכת על גורם יחיד, שאינו ניתן להשגה: אתגרים אמינים ועמידים של מערכות אחסון אנרגיה, בעוד שפאנלים סולאריים הם עבודת ההנעה למשימות אחסון עתידיות, שאותן הם נמצאים במרחק של עשרות שנים, אשר התפתחו שינויים, אשר עברו שינויים בסוללות חדשות, אשר נועדו למשימות אחסון אנרגיה, אך ורק לאחר מכן, אשר נועדו לשנות את מערכות אחסון חשמל, אך ורק לאחר מכן, אשר מאפשרות, אך ורק לאחר שחלפו, בעוד שמשתנים, בעוד שחלפו, הן יכולות למשימות אחסון חלל.

התפקיד הקריטי של אחסון כוח במשימת חלל לטווח ארוך

אחסון כוח מגשר על הפער בין דור האנרגיה והצריכה.עבור לווייניים במסלול כדור הארץ נמוך (LEO), לוחות סולאריים מייצרים כוח במהלך החלק הנשי של מסלול השמש, אבל בשלב הליקוי – שיכול להימשך עד 35 דקות – הלוויין חייב להסתמך על סוללות שלו.Galstationary Satellites ניסיון עוד ליקויים באנרגיה, במיוחד במהלך עונות השנה השוויון, כאשר הם עשויים להיות בצל במשך יותר משעה.

יתר על כן, לוויינים מודרניים נושאים כלים חזקים יותר ויותר - מצלמות אבטחה גבוהות, מכ"מים ספקטרום סינתטי, וספקטרומטרים מתקדמים - הדורשים התפרצויות של כוח שיא הרבה מעבר לעומס הממוצע.מערכת אחסון כוח חייב להתמודד עם הספיקים האלה מבלי להתפשר על בריאות מקור האנרגיה העיקרי.עבור משימות בין כוכבי הלכת, מערכת האחסון חייבת לשרוד וריאציות טמפרטורה קיצונית, חשיפה, וריק כל תנאי אחסון יקרים היא לעתים קרובות בפיתוח של תעשיית החלל.

מגבלות נוכחיות של מערכות חשמל לוויין מסורתיות

סוללה וקיבולת Fade

סוללות ליתיום מסורתיות - תקן עבור רוב הלוויינים כיום - מיכולת הדרגתית דעיכה בשל היווצרות של דחיסה אלקטרונית מוצקה (SEI) שכבות ומכסה במהלך מחזורי טעינה בתשלום.ב לוויין טיפוסי LEO, סוללה ליתיום-יון עשוי לאבד 10-20% של יכולתה המקורית לאחר חמש שנים של פעילות.

קשיים בניהול

סוללות לייצר חום במהלך המבצע, ובוואקום של החלל, חום לא ניתן להתפזר על ידי convection. יעיל מערכות ניהול תרמי חייב לקרינה עודף חום משם, אשר מוסיף מורכבות ומסה. הפוך, במהלך תקופות ליקוי, סוללות חייב לפעול בטמפרטורות נמוכות כי להפחית את קצב התגובה הכימית, הגבלת תפוקה כוח.נוזלית או חום-פי מערכות הם אחסון רב-תכליתי לכישלון, טמפרטורת השמש הנוכחית של 180 מעלות צלזיוס - 180 מעלות צלזיוס - לכל מכשיר קיצוני.

קרינה ואפקטים חד-פעמיים

החלל נמבטה בקרינת קרינת השמש והקרניים הקוסמיים.לאורך הזמן, הקרינה מדגמת את חומרי אלקטרוליטה ואלקטרודה בסוללות, מה שמוביל להגדלת ההתנגדות הפנימית וקיבולת מופחתת.עבור משימות שחצו את חגורות ואן אלן, כגון אלה כותרות כוכבי הלכת החיצוניים, קרינה מוסיפה משקל ועלויות.בנוסף, חלקיקים אנרגטיים יכולים לגרום להפרעות חד-אפילויות בניהול חשמל, שעלולות לזרז בעיות קרינה או ממושכות.

הכחדת אנרגיה מוגבלת ואמצעי המונים

כל קילוגרם שהושק למסלול עולה אלפי דולרים.סוללות מסורתיות יש נחיתות אנרגיה סביב 150-250 Wh / ק"ג. עבור לוויין הדורש 10 קילוואט של יכולת אחסון, הסוללה לבדה יכולה לשקול 40-70 ק"ג.עבור משימות כמו טלסקופ החלל ג'יימס ווב, הפועל בנקודת L2 Lagrange ודורש כוח מתמשך גם כאשר הוא מסולק מהשמש, סוללות המונית חייב להיות מצמצם לחדר מדעי עבור צפיפות גבוהה יותר, אבל יש צורך לחץ אנרגיה גבוהה יותר, אבל לחץ אנרגיה גבוהה יותר, אבל לחץ אנרגיה גבוהה יותר.

חידושים בתחום אבטחת אנרגיה

סולידריות המדינה Batteries

סוללות מוצקות המדינה להחליף אלקטרוליט נוזלי שנמצא בתאים ליתיום קונבנציונלי עם מחזורי קרמיקה או פולימר אלקטרוליטה מוצקה, שינוי יסודי זה מביא כמה יתרונות עבור יישומי חלל. הראשון, אלקטרוליט המוצק הוא לא ניתן להפחתה של עשור, כמעט חיסול הסיכון של ריצת אוויר תרמית - יתרון בטיחותי קריטי עבור משימות מאוישות אוויריות, עיצובים יציבים של מדינתית, כמעט ללא הגבלת זמן, כמו גם תאים חשמליים בטווח הארוך של 300 ק"מדומים, כמו לטווח ארוך יותר, 000, 000, 000 יציבים של מחזורי של מחזורי זמן ארוך יותר, 000 יציבים, 000.

Supercapacitors and Hybrid Systems

Supercapacitors לאחסן אנרגיה אלקטרוסטטית ולא מבחינה כימית, ומאפשר להם לטעון ושחרור תוך שניות עם מעט השפלה על פני מיליוני מחזורים. צפיפות האנרגיה שלהם נמוכה (5-10 Wh / ק"ג), אבל צפיפות הכוח שלהם גבוהה מאוד (10,000 + W / ק"ג) זה גורם להם אידיאלי לטיפול בביקושי חשמל על גבי סוללות - כגון כאשר משדר מכ"ם או מסוף תקשורת לייזר - מבלי להדגיש את הסוללה העיקרית המשלבת תאים היברידיים עם סוללה קטנה.

מערכות רדיואיזוטופ (RPS)

מערכות רדיואיזוטופ של נאס"א הופכות את החום מדעיכה רדיואקטיבית (בדרך כלל פלוטוניום-238) לחשמל באמצעות thermocouples.בניגוד מערכות סולאריות או סוללות, RPS מספק כוח מתמשך עצמאי מאור השמש, מה שהופך אותם חיוניים עבור בדיקות חלליות עמוק בחלל. החללית וויאג'ר, אשר הושקה ב-1977, עדיין מעבירה נתונים ממרחב בין כוכבי הלכת הבין-כוכבי הודות לרדיו המולידידיהם (RGRT) אשר פותחים את כמות החשמל המתקדמת יותר של רדיו-מרפאים (RRMS) אשר מכילה 110) באופן איטי יותר ויותר מ-RARRARRARRARRARVRARROL) של רדיו משופרים (RARROL) אשר משמש יותר של רדיו-RARROL) של רדיו-RARRARORARORARRARRARRRAST) של רדיו-RAROSTIGARROL) אשר משמש יותר, אשר משמש יותר ויותר, אשר משמש יותר מאשר RAROSTRAROSTRAROSTRAROSTRAROSTRAROSTRARVRARVRAROSTERS (RAROSTRAROST

טכנולוגיות מתפתחות: Lithium-Sulfur, Flow Batteries, ו-דלק תאים

סוללות ליתיום-סולפור מציעות צפיפות אנרגיה תיאורטית של 500-600 Wh / ק"ג, באמצעות סוללות בשפע וזולות.הם קלים יותר ליתיום-יון ופחות נוטה לרוץ תרמי.עם זאת, הם סובלים מפוליסופד נסגר, אשר מקצר את החיים מחזוריים, מחקרים אחרונים במוסדות כמו אוניברסיטת מישיגן ומכון קליפורניה של טכנולוגיה התמקדה על encapsulatingsives כדי להפוך את זה מחסומים קריטיים.

סוללות זרימה, אשר מאחסנות אנרגיה באלקטרוליטים נוזליים בטנקים חיצוניים, הן לא מעשיות לשיגור בשל גודלן ודרישות המשאבה שלהם.אבל עבור בסיסים ירחיים או מאדים, סוללות זרימה יכולות לאחסן אנרגיה סולארית עודף במהלך מחזורי הלילה הארוך, באמצעות חומרים שמקורם מקומית כמו אלקטרוליטים. בדומה, תאי דלק רגנרטיביים - שבו מים מחולקים למימן וחמצן במהלך השמש, ולאחר מכן recombined לייצר במהלך מחזורי חום-הת השמש - הם יכולים לחקור טכנולוגיות חום כגון משחתות חום יכולות להשיג.

אדריכלות היברידית לביצועים אופטיים

שום טכנולוגיה אחסון בודדת עונה על כל הדרישות של משימה ארוכת טווח: צפיפות אנרגיה גבוהה, צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי מחזור ארוכים, סובלנות תרמית רחבה, והתנגדות קרינה.לכן, החללית המתקדמת ביותר מעסיקה אדריכלות היברידית המשלבת מספר טכנולוגיות. A טיפוסית עתירת חלל עמוק עשויה לכלול סוללות מורכבות RTG המספקת כוח ליבה של מערכת הגנה על בסיס בסיס, סוללה של לימוזינה עבור שיא, ובנק supercapacitor עבור עומסי לחץ על בסיס מערכת אנרגיה המבוסס על בסיס קבוע (R) לעתים קרובות על בסיס מערכת הגנה על בסיס נתונים מבוססת על בסיס נתונים מבוססת על בסיס מערכת הבריאות, כגון רזולוציית אבטחה מבוססת על בסיס פחמן מבוססת על בסיס פחמן (RRMRMRMRMG).

יישומים אמיתיים ומקריות

תחנת החלל הבינלאומית (ISS)

ISS מפעילה את מערכת אחסון החשמל הגדולה ביותר בחלל, עם מספר רב של אסטמפרסיות סוללה המספקות 8.4MW של אחסון כוח. סוללות ניקל-hydrogen המקורי הוחלפו עם יחידות ליתיום החל בשנת 2017, המדגימות 50% במסה ועלייה של 30% ביעילות.כל מודול סוללה שוקל כ -200 ק"ג ומספק 1.6 קילוואט של יכולת מדידה משמעותית של ISS.

מאדים רוג'רס ולנדרס

כל מנאס"א Marsrovers - מ Sojourner ועד Perseverance - התבססו על לוחות סולאריים וסוללות טעינה מחדש.The Spirit and Opportunityrovers השתמשו סוללות ליתיום-יון עם יכולת של כ-8, אשר אפשר להם לשרוד את הלילות הקרים של מאדים וטעינה מחדש במהלך היום.הזדמנויות המופעלות על ידי פרויקט 14 שנים, הרבה מעבר לחיי העיצוב של 90 הימים שלו, חלקית, כי זה מוחזק על ידי מערכת ההפעלה היטב על ידי רכישת אנרגיה תרמית, כמו גם על פני השטח, כמו גם על ידי RTG, כמו גם על ידי מערכת ההפעלה של מערכות זמן גבוהה יותר מדי יום-ידי מערכת ההפעלה.

טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST)

JWST פועל ב-L2, כ-1.5 מיליון קילומטרים מכדור הארץ, שם הוא בעיקר באור השמש.עם זאת, במהלך תמרונים מזחלים או כאשר השמש חסומה על ידי כדור הארץ או הירח, הוא מסתמך על סוללה של 1.5 קילוואטיום-יון-יון.הסוללה מיועדת מדי להתמודד עם ליקויים הגרועים ביותר, ולשמור על כוח לחום שמחזק את המכשירים של הטלסקופ בטמפרטורות מבוכות.

קווי עתיד וגבולות מחקר

חומרים מדע ואלקטרודות מתקדמות

חוקרים חוקרים בוחנים סיליקון ארס, אשר יכול לאחסן פי עשרה יותר ליתיום מאשר אגדות גרפיטי, פוטנציאל להגביר את צפיפות האנרגיה ל-700 Wh / ק"ג הסיליקון מתרחב וחוזים במהלך רכיבה, גרימת פיצול; עיצובים חדשים nanostructured סיליקון, כגון nanowires או סיליקון, יכול להתאים לשינויים נפח אלה. Aerogels ו- פחמן ננוtubes נחקרים גם כמודלפקים קלים כדי ליצור מרכזי סוללה רבים.

הדפסה 3D ו- In-Situ Resource Utilization (ISRU)

בתי גידול עתידיים של הירח או מאדים יכולים להשתמש הדפסה תלת מימדית כדי לייצר רכיבי סוללות מהמשאבים המקומיים. חוקרים בסוכנות החלל האירופית הוכיחו הדפסה של רכיבי סוללה מוצקים של מדינת כדור הארץ באמצעות מפשטת ירח כמצע.ייצור in-situ מוריד את המסה הנדרשת לאחסון חשמל.בנוסף, ISRU יכולה לייצר מימן וחמצן לתאי דלק חוזרים מהמים שנמצאו על הירח ועל מערכות הכוח של כדור הארץ, יתרוספו, יפחיתו מאוד, בנוסף, תוגות על פני כדור הארץ, יתר על פני השטח.

למידה של Battery Management

בינה מלאכותית משולבת במערכות ניהול סוללות (BMS) כדי לחזות פרופילים של הזדקנות ואופטימיזציה בזמן אמת. על ידי ניתוח נתוני טלמטרי כגון מתח, זרם, טמפרטורה, ומניעה, מודלים למידת מכונה יכולים לזהות סימנים מוקדמים של השפלה ולהתאים פרמטרים להאריך את החיים.נאס"א בדקה BMS מונע AI על ISS ומכינה לפרוס אותו על גבי השער.

מסקנה

העתיד של חקר החלל ארוך טווח נח על חידושים באחסון חשמל. סוללות סולידריות, supercapacitors, מערכות רדיו מתקדמות, אדריכלות היברידית מאפשרות משימות שיכולות לפעול במשך עשרות שנים מכדור הארץ.טכנולוגיות אלה אינן רק משפרות את צפיפות האנרגיה ואת החיים של מחזור, אלא גם הופכות ליותר גמישות של משימות אחסון חלל - עירוי, וטמפרטורות קיצוניות, ללא כוח מתמשך, כמו גם כוח מתמשך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך ביותר, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, כאשר כוח אנושי, ללא כוח מתמשך, ללא כוח מתמשך, יש יותר, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, וצמיחה לטווח הארוך, וצמיחה לטווח הארוך ביותר, עם כוח מתמשך של כוח מתמשך של כוח מתמשך של כוח גרעיני לטווח הארוך ביותר, ללא כוח מתמשך, כאשר כוח גרעיני לטווח הארוך ביותר, ללא כוח גרעיני, ולכן גם הופך יותר, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, ולכן כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח מתמשך, ולכן גם הופך להיות יותר, עם משימות פיתוח אנרגיה לטווח הארוך, עם משימות פיתוח אנרגיה לטווח הארוך, עם כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך, ללא כוח מתמשך, ולכן גם הופך להיות יותר, ללא כוח מתמשך, ללא כוח מתמשך, ללא כוח גרעיני לטווח הארוך ביותר, ולכן כוח גרעיני