Год назад демонстратор космической солнечной энергии Калифорнийского технологического института (SSPD-1) отправился в космос, чтобы продемонстрировать и протестировать три технологические инновации, которые входят в число тех, которые необходимы для того, чтобы сделать космическую солнечную энергию реальностью. Космический испытательный стенд продемонстрировал возможность беспроводной передачи энергии в космос; он измерил эффективность, долговечность и функционирование различных типов солнечных элементов в космосе; и провел реальные испытания конструкции легкой развертываемой конструкции для доставки и удержания вышеупомянутых солнечных элементов и передатчиков энергии. Теперь, когда миссия SSPD-1 в космос завершена, инженеры на Земле празднуют успехи испытательного стенда и извлекают важные уроки, которые помогут наметить будущее космической солнечной энергетики.
«Солнечная энергия, излучаемая из космоса на коммерческих условиях и освещающая земной шар, все еще является перспективой на будущее. Но эта важнейшая миссия продемонстрировала, что это должно быть достижимое будущее», - говорит президент Калифорнийского технологического института Томас Ф. Розенбаум, президентский председатель Сони и Уильяма Давидоу и профессор физики. SSPD-1 представляет собой важную веху в проекте, который реализуется уже более десяти лет и привлекает международное внимание как ощутимый и громкий шаг вперед для технологии, которую разрабатывают многие страны. Он был запущен 3 января 2023 года на борту космического корабля Momentus Vigoride в рамках проекта космической солнечной энергии Калифорнийского технологического института (SSPP), возглавляемого профессорами Гарри Этуотером, Али Хаджимири и Серджио Пеллегрино. Он состоит из трех основных экспериментов, в каждом из которых тестируется своя технология:
- DOLCE (Развертываемый на орбите ультралегкий композитный эксперимент): конструкция размером 1,8 х 1,8 метра, демонстрирующая новую архитектуру, схему упаковки и механизмы развертывания масштабируемого модульного космического корабля, который в конечном итоге составит созвездие километрового масштаба, которое будет служить в качестве космического корабля. электростанция.
- ALBA: коллекция из 32 различных типов фотоэлектрических (PV) элементов, позволяющая оценить типы элементов, способных противостоять суровым космическим условиям.
- MAPLE (Микроволновая решетка для эксперимента по передаче энергии на низкой орбите): массив гибких и легких передатчиков микроволновой энергии на основе специальных интегральных схем с точным контролем синхронизации для избирательной фокусировки энергии на двух разных приемниках для демонстрации беспроводной передачи энергии на расстоянии в космосе.
«Дело не в том, что у нас уже нет солнечных панелей в космосе. Солнечные панели используются, например, для питания Международной космической станции», — говорит Этуотер, руководитель отдела инженерных и прикладных наук Отиса Бута; Говард Хьюз, профессор прикладной физики и материаловедения; директор Liquid Sunlight Alliance; и один из главных следователей SSPP. «Но чтобы запустить и развернуть достаточно большие массивы, чтобы обеспечить Землю значимой энергией, SSPP должна спроектировать и создать системы передачи энергии солнечной энергии, которые были бы сверхлегкими, дешевыми, гибкими и легко развертываемыми».
DOLCE: Развертывание структуры
Хотя все эксперименты на борту SSPD-1 в конечном итоге оказались успешными, не все пошло по плану. Однако для ученых и инженеров, возглавлявших эти усилия, именно это и было целью. Аутентичная испытательная среда для SSPD-1 предоставила возможность оценить каждый из компонентов, и полученные знания окажут глубокое влияние на будущие конструкции космических солнечных батарей. Например, во время развертывания DOLCE, которое должно было занять три-четыре дня, один из проводов, соединяющих диагональные стрелы с углами конструкции, что позволяло ей разворачиваться, зацепился. Это остановило развертывание и повредило соединение между одной из стрел и конструкцией. Пока время шло, команда использовала камеры DOLCE, а также полномасштабную рабочую модель DOLCE в лаборатории Пеллегрино, чтобы выявить и попытаться решить проблему. Они установили, что поврежденная система будет лучше разворачиваться, если ее нагреть непосредственно солнцем, а также солнечной энергией, отраженной от Земли. После того как диагональные стрелы были развернуты и конструкция полностью размотана, возникла новая сложность: часть конструкции застряла под механизмом развертывания, чего никогда не наблюдалось при лабораторных испытаниях.
Используя изображения с камер DOLCE, команда смогла воспроизвести этот вид помех в лаборатории и разработала стратегию по их устранению. В конечном итоге Пеллегрино и его команда завершили развертывание с помощью приводов DOLCE, которые вызвали вибрацию всей конструкции и устранили застревание. По словам Пеллегрино, уроки этого опыта лягут в основу следующего механизма развертывания. «Космические испытания продемонстрировали надежность базовой концепции, которая позволила нам добиться успешного развертывания, несмотря на две аномалии», — говорит Пеллегрино, профессор аэрокосмической и гражданской инженерии Джойса и Кента Креса и содиректор SSPP. «Процесс устранения неполадок дал нам много новых идей и сосредоточил внимание на связи между нашей модульной конструкцией и диагональными стрелами. Мы разработали новые способы противодействия эффекту собственного веса в сверхлегких развертываемых конструкциях».
ALBA: Сбор солнечной энергии
Между тем, фотоэлектрические характеристики трех совершенно новых классов сверхлегких солнечных элементов исследовательского класса, ни один из которых никогда раньше не тестировался на орбите, были измерены в течение более чем 240 дней работы командой ALBA под руководством Этуотера. Некоторые солнечные элементы были изготовлены по индивидуальному заказу с использованием оборудования лабораторий SSPP и Института нанонаук Кавли (KNI) в Калифорнийском технологическом институте, что дало команде надежный и быстрый способ быстро подготовить небольшие передовые устройства к полету. В будущей работе команда планирует протестировать элементы большой площади, изготовленные с использованием масштабируемых недорогих производственных методов, которые могут значительно снизить как массу, так и стоимость этих космических солнечных элементов.
Космические солнечные элементы, доступные в настоящее время на рынке, обычно в 100 раз дороже, чем солнечные элементы и модули, широко развернутые на Земле. Это связано с тем, что в их производстве используется дорогостоящий этап, называемый эпитаксиальным выращиванием, при котором кристаллические пленки выращиваются на подложке в определенной ориентации. Команда разработчиков солнечных батарей SSPP создала недорогие неэпитаксиальные космические элементы, используя дешевые и масштабируемые производственные процессы, подобные тем, которые используются для изготовления сегодняшних кремниевых солнечных элементов. В этих процессах используются высокоэффективные сложные полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия, которые сегодня обычно используются для изготовления высокоэффективных космических элементов.
Команда также протестировала перовскитные элементы, которые привлекли внимание производителей солнечной энергии, поскольку они дешевы и гибки, а также люминесцентные солнечные концентраторы, которые можно использовать в больших гибких полимерных листах. За время существования ALBA команда собрала достаточно данных, чтобы иметь возможность наблюдать изменения в работе отдельных ячеек в ответ на такие явления космической погоды, как солнечные вспышки и геомагнитная активность. Они обнаружили, например, огромную вариабельность характеристик перовскитных ячеек, тогда как недорогие ячейки из арсенида галлия в целом стабильно работали хорошо. «SSPP дал нам уникальную возможность вывести солнечные элементы прямо из лаборатории Калифорнийского технологического института на орбиту, ускорив космические испытания, на проведение которых обычно уходили годы. Такой подход значительно сократил время инновационного цикла в космосе. солнечные технологии», — говорит Этуотер.
MAPLE: Беспроводная передача энергии в космосе
Наконец, как было объявлено в июне, MAPLE продемонстрировала свою способность передавать энергию по беспроводной сети в космосе и направлять луч на Землю — впервые в этой области. Эксперименты с MAPLE продолжались в течение восьми месяцев после первых демонстраций, и в этой последующей работе команда довела MAPLE до предела, чтобы выявить и понять его потенциальные слабости, чтобы полученные уроки можно было применить в будущих проектах. Команда сравнила производительность массива в начале миссии с ее производительностью в конце миссии, когда MAPLE был намеренно подвергнут стрессу. Наблюдалось падение общей передаваемой мощности. Вернувшись в лабораторию на Земле, группа воспроизвела падение мощности, объяснив его деградацией нескольких отдельных передающих элементов в массиве, а также некоторыми сложными электро-тепловыми взаимодействиями в системе. «Эти наблюдения уже привели к пересмотру конструкции различных элементов MAPLE, чтобы максимизировать его производительность в течение длительных периодов времени», — говорит Хаджимири, профессор электротехники и медицинской инженерии Брена и содиректор SSPP. «Испытания в космосе с SSPD-1 дали нам больше информации о наших «слепых зонах» и больше уверенности в своих силах».
SSPP: движение вперед
SSPP началась после того, как филантроп Дональд Брен, председатель Irvine Company и пожизненный член сообщества Калифорнийского технологического института, впервые узнал о потенциале космического производства солнечной энергии еще в молодости в статье в журнале Popular Science. Заинтригованный потенциалом космической солнечной энергии, Брен в 2011 году обратился к тогдашнему президенту Калифорнийского технологического института Жану-Лу Шамо, чтобы обсудить создание космического исследовательского проекта по солнечной энергии. В последующие годы Брен и его жена Бриджит Брен, попечитель Калифорнийского технологического института, согласились сделать серию пожертвований (общая сумма которых составила более 100 миллионов долларов) через Фонд Дональда Брена для финансирования проекта и пожертвования нескольким Профессора Калифорнийского технологического института.
«Усердная работа и самоотверженность блестящих ученых из Калифорнийского технологического института воплотили в жизнь нашу мечту обеспечить мир обильной, надежной и доступной электроэнергией на благо всего человечества», — говорит Дональд Брен. В дополнение к поддержке, полученной от Бренов, корпорация Northrop Grumman предоставила Калифорнийскому технологическому институту 12,5 миллионов долларов в период с 2014 по 2017 год в рамках соглашения о спонсорских исследованиях, которое способствовало развитию технологий и продвинуло науку проекта. После завершения миссии SSPD-1 11 ноября испытательный стенд прекратил связь с Землей. Корабль Vigoride-5, на котором размещался SSPD-1, останется на орбите для поддержки продолжения испытаний и демонстрации микроволновых электротермических двигателей корабля, использующих дистиллированную воду. в качестве топлива. В конечном итоге он сойдет с орбиты и распадется в атмосфере Земли. Тем временем команда SSPP продолжает работу в лаборатории, изучая отзывы SSPD-1, чтобы определить следующий набор фундаментальных исследовательских задач, которые предстоит решить проекту.
