نگاهی به نقش انرژی خورشیدی در فعالیت های فضایی/ چگونه در فضا از تابش خورشید برق تولید میکنند؟

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در پهنه بیکران و سرد فضا، یکی از اساسی‌ترین چالش‌ها برای هر مأموریت، تأمین یک منبع انرژی پایدار، قابل اعتماد و بادوام است. فضاپیماها، از ماهواره‌های کوچک در مدار زمین گرفته تا کاوشگرهای پیچیده‌ای که به سمت سیارات دوردست سفر می‌کنند، برای عملکرد سیستم‌های حیاتی خود—شامل ابزارهای علمی، سیستم‌های ارتباطی، کنترل حرارتی و پیشرانه‌ها—به انرژی الکتریکی نیازمندند. در میان گزینه‌های مختلف، انرژی خورشیدی از طریق فناوری فتوولتائیک (PV) به عنوان کارآمدترین و پراستفاده‌ترین راه‌حل برای بخش اعظمی از فعالیت‌های فضایی تثبیت شده است.

سیر تاریخی و تکامل فناوری

استفاده از انرژی خورشیدی در فضا، داستانی به قدمت خود عصر فضا دارد. نقطه عطف این مسیر، پرتاب ماهواره ونگارد ۱ (Vanguard 1) توسط ایالات متحده در سال ۱۹۵۸ بود. این ماهواره کوچک، علاوه بر باتری‌های شیمیایی، به شش سلول خورشیدی سیلیکونی مجهز بود که توانی در حدود ۱ وات تولید می‌کردند.

 اگرچه این میزان انرژی ناچیز بود، اما موفقیت آن در تأمین انرژی فرستنده‌های ماهواره برای سال‌ها، یک اثبات مفهوم انقلابی بود: خورشید می‌تواند یک منبع نیروی تقریباً بی‌پایان در فضا باشد.

این موفقیت اولیه، راه را برای توسعه سریع فناوری PV فضایی هموار کرد. در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰، با افزایش بازده سلول‌های سیلیکونی و توسعه تکنیک‌های ساخت آرایه‌های بزرگ‌تر، ماهواره‌های مخابراتی، هواشناسی و نظامی به طور گسترده به این فناوری روی آوردند. تکامل اصلی در مواد نیمه‌رسانا رخ داد. گذار از سیلیکون (Silicon) به گالیم آرسنید (Gallium Arsenide - GaAs) در دهه‌های بعد، بازدهی را به میزان قابل توجهی افزایش داد و مقاومت در برابر تخریب ناشی از تشعشعات فضایی را بهبود بخشید. امروزه، پیشرفته‌ترین آرایه‌های خورشیدی از سلول‌های چندپیوندی (Multi-Junction) استفاده می‌کنند که با جذب طیف گسترده‌تری از نور خورشید، بازدهی را به بیش از ۳۰٪ در شرایط فضایی رسانده‌اند.

نگاهی فنی به سلول‌ها و آرایه‌های خورشیدی فضایی

اصول عملکرد فتوولتائیک
قلب یک آرایه خورشیدی، سلول فتوولتائیک است که بر اساس اثر فتوولتائیک کار می‌کند. این پدیده در یک ساختار نیمه‌رسانا، معمولاً یک پیوند p-n، رخ می‌دهد. زمانی که فوتون‌های نور خورشید با انرژی کافی به ماده نیمه‌رسانا برخورد می‌کنند، انرژی خود را به الکترون‌ها منتقل کرده و باعث جدا شدن آن‌ها از اتم و ایجاد یک زوج "الکترون-حفره" می‌شوند. میدان الکتریکی داخلی موجود در محل پیوند p-n، این الکترون‌ها و حفره‌ها را در جهت‌های مخالف از یکدیگر جدا می‌کند. این جداسازی بار، یک اختلاف پتانسیل (ولتاژ) در دو سر سلول ایجاد می‌کند و در صورت اتصال به یک مدار خارجی، جریانی از الکتریسیته برقرار می‌شود.

 مواد و ساختار سلول‌های خورشیدی فضایی
انتخاب ماده برای سلول‌های خورشیدی فضایی بسیار حیاتی است و باید بین بازدهی، وزن، هزینه و مقاومت در برابر محیط خشن فضا تعادل برقرار کند.
سیلیکون (Si): نسل اول سلول‌های فضایی از سیلیکون ساخته می‌شدند. این ماده ارزان و فناوری آن بالغ است، اما بازدهی کمتری دارد و نسبت به تشعشعات حساس‌تر است.
گالیم آرسنید (GaAs): این ماده دارای "شکاف باند" مستقیم و بزرگ‌تری نسبت به سیلیکون است که به آن اجازه می‌دهد فوتون‌های پرانرژی‌تر را با بازدهی بالاتری به الکتریسیته تبدیل کند. همچنین مقاومت ذاتی آن در برابر آسیب‌های ناشی از تشعشعات فضایی بیشتر است.
سلول‌های چندپیوندی (Multi-Junction): این سلول‌ها که فناوری روز محسوب می‌شوند، از چندین لایه نیمه‌رسانای مختلف (مانند GaInP/GaAs/Ge) تشکیل شده‌اند که روی هم قرار گرفته‌اند. هر لایه برای جذب بهینه یک بخش خاص از طیف نور خورشید طراحی شده است. لایه بالایی نور آبی (پرانرژی)، لایه میانی نور زرد و سبز، و لایه پایینی نور قرمز و فروسرخ (کم‌انرژی) را جذب می‌کند. این رویکرد "تقسیم طیف" باعث جهش قابل توجهی در بازدهی کلی سلول شده است.

 طراحی آرایه‌ها و سیستم‌های مرتبط
یک آرایه خورشیدی فضایی صرفاً مجموعه‌ای از سلول‌ها نیست، بلکه یک سیستم مهندسی پیچیده است.
ساختار مکانیکی: سلول‌ها بر روی یک بستر (Substrate) سبک و مقاوم نصب می‌شوند. برای محافظت از سلول‌ها در برابر تشعشعات و برخوردهای ریز، از یک پوشش شیشه‌ای نازک (Coverglass) استفاده می‌شود.
مکانیزم‌های استقرار و ردیابی: آرایه‌ها معمولاً در هنگام پرتاب به صورت فشرده جمع شده و پس از رسیدن به فضا باز می‌شوند. برای دستیابی به حداکثر توان، آرایه‌ها باید همواره عمود بر پرتوهای خورشید قرار گیرند. این وظیفه بر عهده مجموعه درایو آرایه خورشیدی (Solar Array Drive Assembly - SADA) است که آرایه‌ها را به آرامی به سمت خورشید می‌چرخاند.
سیستم مدیریت توان (Power Management System): انرژی تولید شده به یک واحد کنترل توان ارسال می‌شود که آن را برای تغذیه مستقیم تجهیزات یا شارژ باتری‌ها (معمولاً لیتیوم-یون) توزیع می‌کند. باتری‌ها برای تأمین انرژی در دوره‌های گرفتگی (Eclipse)، زمانی که فضاپیما در سایه زمین یا سیاره دیگری قرار دارد، ضروری هستند.

 تحلیل مزایا و چالش‌های فنی

 مزایا
منبع انرژی پایدار و تجدیدپذیر: تا زمانی که فضاپیما در معرض نور خورشید باشد، منبع انرژی آن تضمین شده است و برخلاف منابع شیمیایی یا هسته‌ای، تمام نمی‌شود.
قابلیت اطمینان بالا: آرایه‌های خورشیدی قطعات متحرک کمی دارند (به جز مکانیزم ردیابی) و به عنوان یک فناوری حالت جامد، طول عمر بسیار بالایی (۱۵ سال یا بیشتر) دارند.
عدم نیاز به سوخت: این ویژگی باعث کاهش چشمگیر جرم پرتاب و هزینه‌های مرتبط می‌شود.

 چالش‌های فنی و محیطی
وابستگی به فاصله از خورشید: شدت تابش خورشید با مجذور فاصله از آن کاهش می‌یابد . این بزرگ‌ترین محدودیت انرژی خورشیدی است. به همین دلیل، مأموریت جونو (Juno) در مدار مشتری (که حدود ۵ برابر از خورشید دورتر از زمین است)، برای تولید توان کافی به سه آرایه خورشیدی غول‌پیکر به طول ۲۰ متر نیاز دارد. برای مأموریت‌ها در مدارهای فراتر از مشتری، مانند زحل یا نپتون، استفاده از انرژی خورشیدی تقریباً غیرممکن است و به جای آن از ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ (RTGs) استفاده می‌شود.

تخریب ناشی از تشعشعات (Radiation Degradation): محیط فضا مملو از پروتون‌ها و الکترون‌های پرانرژی است که در کمربندهای تشعشعی زمین یا طوفان‌های خورشیدی به دام افتاده‌اند. برخورد این ذرات به شبکه کریستالی نیمه‌رسانا، نقص‌هایی ایجاد می‌کند که به عنوان "مراکز بازترکیب" عمل کرده و باعث کاهش تدریجی بازدهی سلول در طول عمر مأموریت می‌شوند. طراحان این افت توان را در محاسبات خود لحاظ می‌کنند.

دماهای شدید: عملکرد سلول‌های خورشیدی به شدت به دما وابسته است. دمای بسیار بالا (در نزدیکی خورشید) باعث افت بازدهی می‌شود و دمای بسیار پایین می‌تواند منجر به شکنندگی مواد شود. سیستم‌های کنترل حرارتی برای حفظ سلول‌ها در محدوده دمایی بهینه ضروری هستند.

آسیب‌های فیزیکی و گرد و غبار: ریزشهاب‌سنگ‌ها (Micrometeoroids) و زباله‌های مداری می‌توانند به آرایه‌ها آسیب فیزیکی وارد کنند. در مأموریت‌های سطحی مانند مریخ، نشستن گرد و غبار بر روی پنل‌ها یک چالش جدی است که می‌تواند به تدریج توان خروجی را کاهش دهد، همانطور که برای کاوشگرهای Opportunity و InSight اتفاق افتاد.

 مطالعات موردی و کاربردهای کلیدی

ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS)

این ایستگاه بزرگ‌ترین سازه فضایی ساخته شده توسط بشر است و تمام انرژی خود را از خورشید تأمین می‌کند.

هشت آرایه خورشیدی دوقلوی آن مساحتی نزدیک به یک هکتار را پوشش می‌دهند و در مجموع حدود ۱۲۰ کیلووات برق تولید می‌کنند که برای تأمین نیروی آزمایشگاه‌ها، سیستم‌های پشتیبانی حیات و تجهیزات علمی کافی است.

پیشرانه الکتریکی خورشیدی (Solar Electric Propulsion - SEP)

 در این فناوری نوین، انرژی الکتریکی حاصل از آرایه‌های خورشیدی برای تأمین نیروی رانشگرهای یونی استفاده می‌شود. این رانشگرها با شتاب دادن به یون‌های یک گاز (مانند زنون) نیروی رانش بسیار کم اما پیوسته‌ای تولید می‌کنند. این سیستم بسیار بهینه‌تر از پیشرانه‌های شیمیایی است و به فضاپیماها اجازه می‌دهد با مصرف سوخت بسیار کم، به مقاصد دوردست سفر کنند. مأموریت سایکی (Psyche) ناسا برای رسیدن به یک سیارک فلزی از این فناوری بهره می‌برد.

تلسکوپ فضایی هابل و جیمز وب

 هر دو تلسکوپ برای تأمین انرژی ابزارهای دقیق و سیستم‌های ارتباطی خود به آرایه‌های خورشیدی متکی هستند. در مورد تلسکوپ جیمز وب، آرایه خورشیدی در سمت گرم و رو به خورشید سپر حرارتی قرار دارد و انرژی لازم برای خنک نگه داشتن آینه‌ها و ابزارها در سمت سرد را فراهم می‌کند.

 فناوری‌های آینده و چشم‌انداز

آینده انرژی خورشیدی در فضا بسیار روشن است و تحقیقات بر روی حوزه‌های زیر متمرکز است:

آرایه‌های انعطاف‌پذیر و سبک: فناوری‌هایی مانند آرایه‌های خورشیدی رول‌شونده (Roll-Out Solar Arrays - ROSA) که در حال حاضر بر روی ایستگاه فضایی نصب شده‌اند، وزن و حجم را به شدت کاهش می‌دهند و امکان استقرار آرایه‌های بسیار بزرگ‌تر را فراهم می‌کنند.

سلول‌های با بازدهی فوق‌العاده بالا: تحقیقات بر روی ساختارهای پیچیده‌تر سلول‌های چندپیوندی و مواد جدید مانند پروسکایت‌ها ادامه دارد تا بازدهی به بالای ۴۰٪ برسد.
انرژی خورشیدی برای پایگاه‌های قمری و مریخی: یکی از طرح‌های اصلی برای تأمین انرژی پایگاه‌های انسانی در ماه و مریخ، استفاده از مزارع خورشیدی بزرگ است که می‌تواند انرژی لازم برای پشتیبانی حیات، استخراج منابع و فعالیت‌های علمی را فراهم کند.

انرژی خورشیدی از یک آزمایش کوچک بر روی ماهواره ونگارد ۱ به یک فناوری توانمندساز و بنیادی برای اکتشافات فضایی تبدیل شده است. این منبع انرژی پاک و پایدار، نیروی لازم برای ارتباطات جهانی، نظارت بر زمین، درک عمیق‌تر کیهان و سفر به دنیاهای دیگر را فراهم می‌کند. اگرچه چالش‌هایی مانند فاصله از خورشید و تشعشعات فضایی همچنان وجود دارند، اما پیشرفت‌های مداوم در علم مواد، مهندسی سازه و سیستم‌های مدیریت توان، مرزهای استفاده از این فناوری را دائماً جابجا می‌کند. بدون شک، تکامل فناوری فتوولتائیک فضایی همچنان به عنوان یکی از مهم‌ترین محرک‌ها در شکل‌دهی به آینده فعالیت‌های بشر در فضا باقی خواهد ماند.