לדחוף הגלובלי לעבר תשתיות ספורטטור, מדע החלל העמוק, ותחנות חלל מסחריות הוא מניע חסר תקדים עבור מערכות כוח ביצועים גבוהות.בעוד חלליות מוקדמות מסתמכות על סוללות ראשוניות או לוחות סולאריים נוקשים, הדור הבא של משימות - מן השער הירח ועד לתחבורה של מאדים - מערךים מהירים יותר, יעילים יותר, רחבים יותר, עמידים יותר, ומשתנים לסביבות קיצוניות אלה הם קווי חללים המעצבים את החלל המתעוררים את המשתנים.

נהגים ראשיים לחדשנות בחלל השמש

גורמים הקשורים ביניהם דוחפים טכנולוגיית מערך השמש מעבר לאדריכלות לוחיות קשיחות מסורתיות.הבנת הנהגים האלה מספקת הקשר להתקדמות הטכנולוגית הספציפית שנדונה מאוחר יותר.

(FLT:0)Specific Power (W/kg) הוא ככל הנראה המדד הקריטי ביותר.כל קילוגרם שנשמר על המערך ניתן להפנות לעומס, למניעה או למבנה. עבור לווינים קטנים וקוביות, זה פתח את הדלת למשימות בעלות עוצמה גבוהה שפעם שמורה לפלטפורמות גדולות יותר.

(FLT:0) ,ההתערות של נפח (W/mua3)FLT:1 חשוב באותה מידה.הההה מידה שיגור נקבע בגודל, ונפח המטען הוא פרמיה. Arrays שחבילה באופן הדוק ופרוסה מאפשרים עבור אזורי איסוף גדולים יותר מבלי לדרוש רקטות גדולות יותר.זה מניע חדשנות בדפוסי קיפל, תת-שכבות גמישות, ועצמות עצמיות.

(FLT:0)Radiation HardcioalnessFLT:1 הוא דרישה בלתי ניתנת להשגה למשימות הפועלות בחגורת ואן אלן, במסלול הגיאוגרפי (GEO), או על פני השטח הירחי.הנזקים מפרוטונים ואלקטרונים מדגמי ביצועים סלולריים לאורך זמן.

(FLT:0) תפעול וולטריג'ראטפל 1 (Val VoltageFLT:1) הופך לפרמטר עיצוב מפתח.ערכים גבוהים (300V ל-600V ומעבר) מאפשרים מערכות הנעה חשמלית ישירות, חיסול יחידות עיבוד חשמל כבדות.זה דורש ניהול זהיר של אינטראקציות פלזמה וסיכוני קשתות.

(FLT:0) CostveFLT:1) נשאר נהג מתמשך.בעוד תאים רב-צומת יעילות גבוהה הם סטנדרטיים עבור משימות ממשלתיות, קבוצות מסחר דורש חלופות בעלות נמוכה יותר כי עדיין מציעים ביצועים חזקים. המתח הזה בין יעילות ועלויות הוא מעורר עניין ב perovskite טנדהms ותאים סיליקון מתקדמים עבור יישומי חלל.

אדריכלות: Photovoltaic Cell Architectures

הליבה של כל מערך סולארי הוא תא פוטו-וולטאי עצמו שנים האחרונות ראו התקדמות יוצאת דופן ביעילות ברמת התא, המונעת על ידי חומרים חדשים וטכניקות ערימה.

תאים סולאריים (III-V)

תאים Multi-junction נשארים תקן הזהב עבור משימות חלל ביצועים גבוהים.על ידי ערימה של phosphide של InGaP, gium arsenide (GaAs), וגרמניהיום (Ge), תאים אלה ללכוד ספקטרום רחב יותר של אור השמש מאשר תאים חד-פעמיים.כל שכבה מותאם לספוג טווח גל מסוים, מהמיר יותר photons לתוך חשמל ו היה פחות חום.

יעילותם של תאים רב-צומת מרוכזת עלה על פני ה-FLT:0 (47%) תחת תנאי מעבדה, כפי שדווח על ידי FLT:2Fraunhofer ISEFLT 3: 3 (עבור יישומי חלל, ®i-match-of-תואמים ו- זקוף תאי השקעות (UM) באופן שגרתי מספקים יעילות מעל 30% ייצור, אך יעיל יותר עבור ביצועים מורכבים יותר, אך ורק עבור עלויות ייצור זה הוא גבוה יותר, אך יעיל יותר, אך יעיל יותר, אך ורק עבור עלויות ייצור זה הוא גבוה יותר, אך יעיל יותר, אך הוא גבוה יותר, אך ורק יותר, כאשר הוא גבוה יותר, כאשר הוא גבוה יותר, כאשר הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, כאשר הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, כאשר הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, כאשר הוא גבוה יותר, הוא גבוה יותר, עבור עלויות הייצור.

Perovskite ו-Tandem Cells

תאי השמש Perovskite הופיעו ככוח משבש ב photovoltaics הארצי, ויישומים בחלל מתחילים להבחין. Perovskites מציעים כמה יתרונות: הם יכולים להיות מופקדים על תת-שכבות גמישות קלות משקל, את ה-Switch שלהם ניתן לכוונו על ידי התאמת הרכב הכימי, ויש להם סובלנות גבוהה, אשר מתרגמת להתנגדות לנזק קרינה.

בדיקות חלל של תאים perovskite להאיץ בשנים האחרונות.דגמי טסו בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) כחלק מניסוי תחנת החלל הבינלאומית (MISSE) הראו יציבות מפתיעה בסביבה המקיפה. חוקרים ב-FLT:0 National Renewable Energy Laboratory (NREL)FLT:1 הראו כי perovskites יכולים לעמוד במינונים גבוהים של הסתברות של הסתברות גבוהה, ahurd הסמכה גדולה עבור חלל.

האדריכלות המבטיחה ביותר לחלל היא ה-FLT:0 (perovskite-on-silicon tandemcioFLT:1), המשלב תא perovskite רחב עם תא סיליקון רגיל למטה.תצורה זו יכולה לעלות על היעילות של תאים סיליקון חד-פעמיים, תוך מינוף תשתיות ייצור קיימות.

המונחים: pin dot and Nanostructured Photovoltaics

תאים סולאריים קוונטיים לנצל את המגבלות הקוונטיות כדי לכוון את ה-Sgap של החומר הספוג.על ידי שינוי הגודל של הנקודות הקוונטיות, יצרנים יכולים ליצור תאים סופגים אורכי גל ספציפיים, המאפשרים רב-ספקטרום ללא צורך צמיחה אפיטקסית מורכבת. בעוד עדיין בשלב המחקר, תאים קוונטיים מציעים יעילות תיאורטית כי מעבר ל-Queis Shock-Queis עבור קרינה מתקדמת.

חידושים מכניים וטכניים

אפילו התא היעיל ביותר הוא חסר תועלת אם לא ניתן לפרוס באופן אמין בסביבה הקשה של החלל.חדשנות סטרקטיבית חשובה כמו יעילות התא בקביעת ביצועי מערך כולל.

רול-Out ו- Blanket Arrays (ROSA)

נאס"א רול-Out סולרי Array (ROSA) מייצג שינוי יסודי באדריכלות מערך החלל.במקום לוחות דבש קשיחים מקופלים כמו הסכם, ROSA משתמשת בשמיכה גמישה המורכבת מ photovoltaics שהוטבעה על תת-קרקעית פולימרים קשוחה.

ROSA וגרסאותיה המסחריות טסות כעת על ISS, המשימה DART, ו- Power and Propulsion Element (PPE) הטכנולוגיה היא סקאלה ממערךי לוויין קטנים שיוצרים כמה קילווואט לפלטפורמות כוח גדולות שיוצרות מאות קילווואט.

Origami ו Z-Fold Deployable Arrays

השראה שואבת אורגאמי, מהנדסים מפתחים מערךים המתקפלים לתוך כרכים קומפקטיים מאוד ופרוסים ללא צירים מורכבים או מנועים. Miura-ori ו- Yoshimura מתקפלים מאפשר מערך גדול להיות ארוז לתוך נפח קטן, שטוח. גישה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור לווינים קטנים ו- CubeSats, שבו נפח הוא מוגבל מאוד.

מלחים סולאריים ואריצים

למשימות חלל עמוקות, הצורך בו זמנית בכוח ומניעה הוביל למושגים המשלבים מערך סולארי עם מפרשים סולאריים.ד.ד.ד.ד.טיויימנטרי צילום שהופקדו ישירות על מנת להפליג את אותו מבנה גדול, גורר לייצר גם דחף (מלחץ פוטוני) וחשמל.

חומרים הנדסה לסביבה קיצונית

סביבת החלל היא בלתי סלחנית.מערך השמש חייב לשרוד תנודות טמפרטורה קיצוניות, קרינה ללא רחמים, השפעות מיקרומטרורואידיות, ומשימות ירחיות ומרטיאניות, אבק חודרני.חומרים מתקדמים חיוניים כדי לעמוד באתגרים אלה.

קרינה Harding and Coverglass

פרוטונים באנרגיה גבוהה ואלקטרונים מדרגים תאים סולאריים על ידי יצירת נזק לעקירה ב- מוליכים למחצה LIattice. Coverglass עשוי מכוס מיקרו-גליון-דופדנית מספקת את ההגנה העיקרית, סופג חלקיקים אנרגיה נמוכה לפני שהם מגיעים לתא.חדשנות בכיסוי כוללים ציפויים אנטי-מכוערים המספקים הגנה אלקטרוסטטית.

טכנולוגיות ל-Moderation Technologies for Lunar and Mars Missions

אבק הירח, או regolith, הוא בעיה מתמשכת עבור מערכות כוח על פני השטח.זה מאוד abrasive, אלקטרוסטטי מואשם, דבק חזק על פני השטח.אבק מצטבר על מערך השמש גורם לאובדן כוח משמעותי.

מעבר ל- EDS, ציפויים אנטי-נפטיים ומשטחי הידרופובי מותאמים לטכנולוגיה סולארית ארצית לשימוש בחלל.המטרה היא לשמור על מערך נקיון על פני השטח הארוך מבלי לדרוש ניקוי תכוף.

Cycling and Low-Intensity Low-Temperature

⁇ השמש במסלול כדור הארץ נמוך יכול לחוות מאות מחזורים תרמיים בשנה, מ -100 מעלות צלזיוס ליקוי +120 מעלות צלזיוס באור השמש.זה רכיבה על אופניים חומרים ומפרקים מוכרים, המוביל לעייפות וכישלון. Arrays עבור משימות הירח ו martian חייב גם לשרוד תקופות ארוכות של אסון קמצמיון (FLT:0Low Intensity, טמפרטורה נמוכה (LT) תנאים עמוקים, 1 -2, 000) עלולים להפחתה של תאים עמוקים של תאים עמוקים ואפקטים עמוק בתוך תאים קצרים.

סינרגיות עם כוח חלליות ומניעה

מערך השמש אינו פועל בבידוד.העיצוב שלהם הוא טבילה עמוקה עם מערכת ניהול הכוח של החללית ואדריכלות הנעה.

(FLT:0) גבוה-Voltage Arrays עבור Direct-Drive Electric PropulsionFeloph:1 הם דוגמה ראשית.חללית המסורתית להשתמש יחידות עיבוד חשמל נפרדות (PPUs) כדי להסדיר ולהגביר את המתח המערך עבור נתבים חשמליים.על ידי תכנון המערך עצמו לפעול במתח גבוה (300V-600V), ה-PPU יכול להיות פשוט או לחסל, לחסוך המונים וגישה זו, המכונה זרם חשמלי, אשר דורש מערכי תנועה מהירה, אשר יכול לעמוד על ידי הפעלתומים, אשר יכול להיות מסוגל לעמוד במערך מתקדם, ללא פלסמה, ללא זרם חשמלי.

(FLT:0) אינטגרציית כוח אינטגרטיבית 1FLT) הוא עוד סינרגיה מתפתחת במקום לטפל במערך השמש ובאוטובוס החללית כמערכות נפרדות, מהנדסים מטביעים אלקטרוניקה לניהול חשמל ואפילו סוללות ישירות לתוך המבנה המערך.זה מקטין את הכרכרות ומחברים, וחוסן מסה ושיפור האמינות.

תוכניות משימה ומחקרי מקרים

הטכנולוגיות המתוארות לעיל אינן תיאורטיות; הן מוצבות היום במשימות ומתכננים למשימות מחר.

כוח על פני הירח

תוכנית ארטמיס דורשת מערךים שיכולים לשרוד את הלילה הירחי של 14 ימים, כאשר הטמפרטורות יורדות מתחת -180 מעלות צלזיוס עבור הקוטב הדרומי הירחי, שבו אור השמש בשפע אך מגיע מזווית נמוכה, מגדלים אנכיים ושמיכה אופקית הוצעו. חברות כמו אסטרובוט ולוקהיד מרטין מפתחים מערךים שניתן לפרוס מקרקע כדי לאסוף אור שמש מעל פני השטח המקומי.

סולרית חשמלית Propulsion Tugs

כוח ומניעה של שער הירח (PPE) הוא החללית החזקה ביותר של הנעה חשמלית השמש שנבנתה אי פעם.הוא משתמש במערךים מתקדמים של ROSA שיוצרו FLT:060 קילוואטFLT:1 של כוח כדי להניע את הדחפורים של הול-אפקט.מערכת זו מציגה את יכולת הסקאלה של מערך שמיכה גמיש למשימות כוח גבוה.

משימות מדע החלל העמוקות (Psyche, לוסי, אירופה קליפר)

המשימה של נאס"א, נסיעה לחגורת האסטרואיד, משתמשת במערך סולארי בצורת צלב שיוצר כ-21 קילוואט בכדור הארץ וירידה של 3 קילוואט ב-3.3 AU, המערךים הגדולים ביותר שנבנו אי פעם למשימה חלל עמוק. בדומה, המערך המעגלי העצום של לוסי (24 מטרים בקוטר) נועדו לשרוד את הסביבה התרמית הקשה במסלולו של צדק.

כיוונים עתידיים למחקר

במבט קדימה, כמה יוזמות מחקר לטווח ארוך מבטיחות לשנות עוד יותר את מערך השמש לחלל.

(FLT:0) מבוסס סולרית כוח (SBSP) אנדרטל 1) חווה רנסאנס.התפיסה של איסוף כוח סולארי בחלל וזרימה אלחוטית לכדור הארץ או חללית אחרת נחקרה במשך עשרות שנים.עם ירידה בעלויות והתקדמות בתמסורת של שידור חשמל אלחוטי, SBSP הופכת להיות מעשית מבחינה כלכלית.

(FLT:0) , Healing ו- Self-Assembling Arraysph:1 נחקרים כדי לשפר את עוצמת המשימה.אפקט נזק ממיקרו-סטרואידים יכול ליצור דמעות קטנות או סדקים במערךים גמישים.עצמים-healing פולימרים ועיגולים שיכולים לתקן נזקים כאלה בפיתוח.

(FLT:0)AI-Driven Array ManagementFLT:1) הוא עוד גבול.כפי שערכים הופכים גדולים יותר ויותר מורכבים, ניהול חלוקת כוח, זיהוי תקלות, וקידוד מצביע הופך למשימה רגישה לנתונים. אלגוריתמי למידת מכונה מפותחים כדי לפקח על בריאות מערך בזמן אמת, לחזות השפלה, ולקבוע מחדש את המערך כדי למקסם את התפוקה בנוכחות נזק או גילוח.

מסקנה

המסלול של טכנולוגיית מערך השמש החלל ברור: בהיר יותר, יעיל יותר, קשוח יותר, חכם יותר, ממערך שמיכות גמישות המתגלגלים מתוך תא קיבא אל מול תאים רבים המטיפים את היעילות של 50% העבר, הכלים לייצור כוח בחלל מתקדמים במהירות.טכנולוגיות אלה אינן רק שיפורים מצטברים של השמש, הן מאפשרות יכולות שהיו בלתי אפשריות בעבר.