لماذا تحتاج مركبة الفضاء في مدار الأرض المنخفض إلى أجنحة من الألواح الشمسية؟

الجزء المفاجئ ليس أن مركبة فضائية في المدار تحتاج إلى العثور على أشعة الشمس، بل أن كل واط يجب أن يتم التقاطه، وتخزينه، واستخدامه بكفاءة خلال فترات الظلام المتكررة، والتغيرات في درجات الحرارة، والقيود الصارمة على الوزن.

لهذا السبب فإن مركبة فضائية صغيرة في مدار منخفض يمكن أن تحتاج إلى ما يبدو كمجموعة كبيرة من الألواح الشمسية. في مركبات مثل "دراجون"، هذه الألواح ليست مجرد قطع زينة. بل هي جزء من نظام الطاقة المدارية المحملة في حجرة الحمولة، والتي تدعم أيضًا معدات التبريد أثناء وجود المركبة في الفضاء.

تلك "الأجنحة" هي فعليًا سقف محطة كهرباء صغيرة خارج الشبكة

من المفيد التوقف عن التفكير في الألواح كأجنحة والتفكير فيها كخطوة أولى في سلسلة كاملة. تصل أشعة الشمس إلى الألواح. تقوم الألواح بتوليد الكهرباء. بعض هذه الكهرباء تستخدم فورًا لتشغيل المركبة، وبعضها يدخل البطاريات حتى تتمكن المركبة من الاستمرار في العمل عندما تختفي الشمس خلف الأرض.

في المدار المنخفض، يحدث هذا التبديل طوال الوقت. تشرح ناسا أن محطة الفضاء الدولية تدور حول الأرض كل 90 دقيقة تقريبًا، مما يعني حوالي 16 شروق و16 غروب في اليوم. فتعيش كبسولة الطاقم أو مركبة الشحن في مدار مماثل بنفس النمط العام: ضوء، ثم ظلام، مرارًا وتكرارًا.

لذلك لا يتم تصميم الألواح فقط لتحمل لحظات مشمسة. عليها أن تقوم بمهام مزدوجة خلال كل فترة ضوء. أولاً، يجب أن تدير الأنظمة الموجودة على متن المركبة مثل الأجهزة الإلكترونية والتوجيه والتدفئة والمضخات وأحمال أخرى. ثانيًا، يجب أن تعيد شحن البطاريات قبل قدوم الكسوف القادم.

هذه هي النقطة الأولى الكبرى لتغيير الفكرة. الأمر الصعب ليس "الحصول على ضوء الشمس في الفضاء." الضوء قرب الأرض قوي. الصعوبة تكمن في التقاط ما يكفي منه في إطار زمني محدود، ثم تخزين ما يكفي للبقاء خلال الليل القصير التالي.

كل 90 دقيقة تقريبًا. ضوء، ثم ظلام. شحن، ثم تفريغ. حرارة، ثم برودة. وكل هذا تحت قيود الوزن.

يعمل مصمم المركبات الفضائية وفق ميزانية تشبه كثيرًا مسافر في الصحراء يعبر منطقة جافة بعد أخرى. الخزان الأكبر سيكون مفيدًا، لكن البطاريات ثقيلة وتشيخ مع الوقت. لذلك لا يمكنك ببساطة إضافة المزيد من الوزن الخاص بالبطارية. تسمح الألواح الأكبر بإعادة شحن البطاريات بشكل أكثر فعالية خلال كل مرور نهاري دون أن تعمل البطارية بجهد كبير في كل مرة.

إليك اختبار جيد للتأكد: إذا كان على الألواح العمل في ضوء الشمس المستمر فقط، هل ستحتاج المركبة إلى نفس استراتيجية البطارية؟ لا. يتغير التصميم بأكمله بمجرد أن تتذكر أن المركبة تستمر في الانزلاق إلى ظل الأرض.

مدار واحد بسيط؛ النجاة عبر الآلاف منها هو الحيلة الحقيقية

تباطأ لدوران واحد حول الأرض. في ضوء الشمس، تنتج الألواح الطاقة. تشغل المركبة أنظمتها وترسل الطاقة الفائضة إلى البطاريات. ثم تدخل في الكسوف، وتتوقف الألواح عن الإنتاج. الآن تحمل البطاريات الحمل حتى يعود الضوء.

يكفي هذا أساسًا لتصميم النظام بعناية. البطاريات لا تحب أن تُدفع بشدة، والإلكترونيات الخاصة بالطاقة للمركبة تحميها من الشحن أو التفريغ ضمن حدود السلامة. في الوقت نفسه، تتأرجح المركبة بين ظروف الحرارة والبرودة، لذا يجب أن يظل التحكم الحراري يحافظ على البطاريات والإلكترونيات ضمن نطاق درجة الحرارة المسموح بها.

باللغة البسيطة، تساعد الألواح في التحضير ليوم الغد قبل انتهاء اليوم الحالي. فهي لا تقوم فقط بتغذية المركبة، ولكن تحاول أيضًا إبقاء البطاريات في حالة جيدة للمرور المظلم التالي.

لكن الرياضيات الأصعب ليست في هذا المدار. إنها في المدار 5000.

هذا هو المكان حيث يبدأ حجم اللوح في اكتساب المزيد من المعنى. في المدار الأرضي المنخفض، تتراكم دورات الشحن المتكررة بسرعة. إذا شهدت مركبة فضائية حوالي 16 دورة ليل ونهار في اليوم، فقد يعني ذلك آلاف دورات البطارية في السنة، اعتمادًا على ملف المهمة وعمق استخدام البطاريات.

يقول تقرير "حالة الفن في الطاقة" الصادر عن ناسا عام 2021 أن بطاريات الليثيوم أيون تشيخ مع تكرار دورات الشحن والتفريغ. يبدو ذلك واضحًا، ولكنه يغير الهدف التصميمي. فالمهندسون لا يقومون بتصميم نظام الطاقة لبطارية جديدة في اليوم الأول. بل يقومون بوضع ميزانية للبطارية بعد مرور العديد من جولات الاستخدام، عندما تخزن طاقة أقل وتحتاج إلى معالجة أكثر حذراً.

هذه هي اللحظة الحقيقية للفهم. فالألواح الكبيرة ليست فقط لصنع ما يكفي من الطاقة الآن. فهي تتيح للمركبة إعادة شحن البطاريات بشكل أكثر لطفًا وأكثر تكرارًا، مما يساعد النظام بأكمله على البقاء في مواجهة الاستهلاك المتكرر على مدى أشهر أو سنوات.

لماذا لا نستخدم فقط ألواح أصغر إذا كانت أشعة الشمس قريبة من الأرض قوية؟

هذه الاعتراضات عادلة، لأن أشعة الشمس بالقرب من الأرض قوية بالفعل. لكن الضوء الخام على الورق هو فقط بداية الميزانية. المركبة لا تجمع كل هذه الأشعة، ولا تحول كل شيء، ولا تحتفظ بكل هذه الطاقة.

بعض أشعة الشمس تصل بزوايا غير مثالية. وبعضها يُهدر في الخلايا الشمسية والإلكترونيات الخاصة بالطاقة. وهناك خسائر تعود للشحن في البطاريات. لا بد من الاحتفاظ ببعض الهوامش لعمر البطارية، والظروف الباردة أو الحارة، والحقيقة البسيطة بأن الوزن مكلف عند الإطلاق، وبالتالي يجب أن يكسب كل جزء مكانه.

وهذا ليس صحيحًا لكل مركبة فضائية. بعض الأقمار الصناعية تستخدم ألواح مثبتة على الهيكل. وبعض المهمات السابقة استخدمت خلايا وقود. كما يمكن للمركبات في الفضاء العميق استخدام الطاقة النووية بدلاً من الألواح الشمسية. يشرح هذا التوضيح المركبات الفضائية المقيَّدة بالكتلة في المدار الأرضي المنخفض، مثل المركبات من طراز "دراجون"، حيث تقود دورات الكسوف المتكررة التصميم.

هذا يوضح أيضًا لماذا يهم صندوق الحمولة كثيرًا. في حالة "دراجون"، لا يعد صندوق الحمولة مجرد قشرة تتعلق بالكبسولة. إنه يحمل الألواح الشمسية التي تزود بالطاقة الكهربائية عند المدار، وهو جزء من نظام التبريد الخاص بالمركبة أثناء وجودها في الفضاء. بعبارة أخرى، هذا الجزء يعد جزءًا من تقنية دعم الحياة للمركبة نفسها.

الطريقة المفيدة للنظر إليها من الآن فصاعدًا

بمجرد أن ترى النظام بالكامل، تتوقف الألواح عن أن تبدو كبيرة. بل تبدو حذرة بشكل سليم. تحمل مركبة فضائية صغيرة في مدار أرضي منخفض شبكتها الكهربائية الصغيرة الخاصة بها، ويجب على هذه الشبكة أن تكسب ما يكفي في وضح النهار لتشغيل المركبة، وإعادة ملء المخزون، وحماية البطاريات، والاستمرار في ذلك عبر دورة تلو دورة.

لذلك في المرة القادمة التي ترى فيها ألواح شمسية على مركبة فضائية مدار، فكّر في "الميزانية اليومية بالإضافة إلى التآكل طويل المدى" بدلاً من "الأجنحة". هذه هي الصورة الأكثر ذكاءً لما تفعله الأجهزة، وتجعل المركبة تبدو أقل ككبسولة مع ملحقات وأشبه بآلة مدروسة جيدًا تهتم بإمداداتها.

الألواح كبيرة لأن البقاء في المدار ليس فقط بشأن العثور على الشمس مرة واحدة. إنه بشأن العيش من خلال كل الليالي القصيرة بعد ذلك، وهناك شيء يبعث على الرضا في رؤية الأجهزة لما هي حقًا.