การเดินทางในอวกาศ

ในเดือนมกราคม 2566 โครงการ Caltech Space Solar Power Project (SSPP) พร้อมที่จะเปิดตัวต้นแบบขึ้นสู่วงโคจร ซึ่งมีชื่อว่า Space Solar Power Demonstrator (SSPD) ซึ่งจะทดสอบองค์ประกอบสำคัญหลายประการของแผนอันทะเยอทะยานในการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศและลำแสง พลังงานกลับสู่โลก พลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศเป็นช่องทางหนึ่งในการใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศอย่างไร้ขีดจำกัด ซึ่งพลังงานจะสามารถใช้ได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องขึ้นอยู่กับวัฏจักรของกลางวันและกลางคืน ฤดูกาล และเมฆปกคลุม การเปิดตัวซึ่งกำหนดไว้ในวันที่ 3 มกราคมถือเป็นก้าวสำคัญในโครงการและสัญญาว่าจะทำให้สิ่งที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นนิยายวิทยาศาสตร์เป็นจริง เมื่อดำเนินการอย่างสมบูรณ์ SSPP จะนำกลุ่มดาวของยานอวกาศโมดูลาร์ที่รวบรวมแสงอาทิตย์ แปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า จากนั้นส่งไฟฟ้าแบบไร้สายในระยะทางไกลไปยังทุกที่ที่จำเป็น รวมถึงสถานที่ที่ไม่สามารถเข้าถึงพลังงานที่เชื่อถือได้ในปัจจุบัน ยานอวกาศ Momentus Vigoride ที่บรรทุกจรวด SpaceX ในภารกิจ Transporter-6 จะนำ SSPD น้ำหนัก 50 กิโลกรัมขึ้นสู่อวกาศ ประกอบด้วยการทดลองหลักสามรายการ แต่ละรายการจะทดสอบเทคโนโลยีหลักที่แตกต่างกันของโครงการ: DOLCE (การทดลองคอมโพสิตแสงอุลตร้าไลท์ที่ปรับใช้บนวงโคจรได้): โครงสร้างขนาด 6 ฟุตคูณ 6 ฟุตที่สาธิตสถาปัตยกรรม รูปแบบบรรจุภัณฑ์ และกลไกการติดตั้งของยานอวกาศโมดูลาร์ ซึ่งในที่สุดจะประกอบกันเป็นกลุ่มดาวขนาดกิโลเมตรที่ก่อตัวเป็นโรงไฟฟ้า ALBA : คอลเลคชันเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) 32 ชนิดที่แตกต่างกัน เพื่อให้สามารถประเมินประเภทเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายของอวกาศ MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment): ชุดเครื่องส่งกำลังไมโครเวฟน้ำหนักเบาที่ยืดหยุ่นพร้อมการควบคุมเวลาที่แม่นยำโดยเน้นพลังงานที่เลือกไปที่เครื่องรับ 2 เครื่องที่แตกต่างกันเพื่อแสดงการส่งพลังงานแบบไร้สายที่ระยะทางในอวกาศ องค์ประกอบที่สี่เพิ่มเติมของ SSPD คือกล่องอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ Vigoride และควบคุมการทดลองทั้งสาม SSPP เริ่มต้นในปี 2554 หลังจากโดนัลด์ เบรน ผู้ใจบุญ ประธานบริษัทเออร์ไวน์ และสมาชิกตลอดชีวิตของคณะกรรมาธิการของคาลเทค ได้เรียนรู้เกี่ยวกับศักยภาพของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศในบทความในนิตยสารPopular Science ด้วยความสนใจในศักยภาพของพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ Bren จึงติดต่อไปยัง Jean-Lou Chameau ซึ่งเป็นประธานในขณะนั้นของ Caltech เพื่อหารือเกี่ยวกับการสร้างโครงการวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์บนอวกาศ ในปี 2013 Bren และภรรยาของเขา Brigitte Bren ซึ่งเป็นผู้จัดการมรดกของ Caltech ตกลงที่จะบริจาคเงินเพื่อเป็นทุนในโครงการนี้ การบริจาคครั้งแรก (ซึ่งในที่สุดจะเกิน 100 ล้านดอลลาร์) เกิดขึ้นในปีนั้นผ่านมูลนิธิโดนัลด์ เบรน และการวิจัยก็เริ่มขึ้น "เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ฉันใฝ่ฝันว่าพลังงานแสงอาทิตย์จากอวกาศจะแก้ปัญหาความท้าทายที่เร่งด่วนที่สุดของมนุษยชาติได้อย่างไร" เบรนกล่าว "วันนี้ ฉันรู้สึกตื่นเต้นที่ได้สนับสนุนนักวิทยาศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมของคาลเทค ในขณะที่พวกเขาพยายามทำให้ความฝันนั้นเป็นจริง" จรวดจะใช้เวลาประมาณ 10 นาทีในการเข้าถึงระดับความสูงที่ต้องการ จากนั้นยานอวกาศ Momentus จะถูกนำออกจากจรวดเข้าสู่วงโคจร ทีม Caltech ใน Earth วางแผนที่จะเริ่มทำการทดลองบน SSPD ภายในไม่กี่สัปดาห์หลังจากเปิดตัว การทดสอบบางองค์ประกอบจะดำเนินการอย่างรวดเร็ว "เราวางแผนที่จะสั่งให้ DOLCE ใช้งานได้ภายในไม่กี่วันหลังจากได้รับสิทธิ์เข้าถึง SSPD จาก Momentus เราควรรู้ทันทีว่า DOLCE ใช้งานได้หรือไม่" Sergio Pellegrino, Joyce และ Kent Kresa ของ Caltech กล่าว ศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศและศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและผู้อำนวยการร่วม ของ สสส. นอกจากนี้ Pellegrino ยังเป็นนักวิทยาศาสตร์การวิจัยอาวุโสของ JPL ซึ่ง Caltech เป็นผู้จัดการให้กับ NASA องค์ประกอบอื่น ๆ จะต้องใช้เวลามากขึ้น การรวบรวมแผงโซลาร์เซลล์จะต้องใช้การทดสอบนานถึงหกเดือนเพื่อให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับประเภทของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันนี้ MAPLE เกี่ยวข้องกับชุดการทดลองตั้งแต่การตรวจสอบฟังก์ชันเริ่มต้นไปจนถึงการประเมินประสิทธิภาพของระบบภายใต้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันเมื่อเวลาผ่านไป ในขณะเดียวกัน กล้องสองตัวบนบูมแบบติดตั้งได้ที่ติดตั้งบน DOLCE และกล้องเพิ่มเติมบนกล่องอิเล็กทรอนิกส์จะติดตามความคืบหน้าของการทดลอง และสตรีมข้อมูลย้อนกลับลงมายังโลก ทีม SSPP หวังว่าพวกเขาจะได้รับการประเมินประสิทธิภาพของ SSPD อย่างครบถ้วนภายในไม่กี่เดือนหลังจากเปิดตัว ความท้าทายมากมายยังคงอยู่: ไม่มีอะไรรับประกันเกี่ยวกับการดำเนินการทดลองในอวกาศ ตั้งแต่การปล่อยยานไปจนถึงการติดตั้งยาน อวกาศ ไปจนถึงปฏิบัติการของ SSPD แต่ไม่ว่าอะไรจะเกิดขึ้น ความสามารถที่แท้จริงในการสร้างต้นแบบที่คุ้มค่ากับพื้นที่แสดงถึงความสำเร็จที่สำคัญของทีม SSPP "ไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้น รถต้นแบบนี้เป็นก้าวสำคัญ" Ali Hajimiri ศาสตราจารย์เบรนด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและการแพทย์ของ Caltech และผู้อำนวยการร่วมของ SSPP กล่าว "มันทำงานที่นี่บนโลกและได้ผ่านขั้นตอนที่เข้มงวดที่จำเป็นสำหรับทุกสิ่งที่ปล่อยขึ้นสู่อวกาศ ยังคงมีความเสี่ยงมากมาย แต่การผ่านกระบวนการทั้งหมดได้สอนบทเรียนอันมีค่าแก่เรา เราเชื่อว่าการทดลองในอวกาศจะให้อะไรมากมายแก่เรา ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เพิ่มเติมที่จะเป็นแนวทางให้กับโครงการในขณะที่เราเดินหน้าต่อไป" แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์จะมีอยู่บนโลกตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1800 และปัจจุบันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์ของโลก (นอกเหนือจากการจ่ายพลังงานให้กับสถานีอวกาศนานาชาติ) ทุกสิ่งทุกอย่างเกี่ยวกับการผลิตและการส่งพลังงานจากแสงอาทิตย์จำเป็นต้องได้รับการคิดใหม่เพื่อใช้ในวงกว้าง ช่องว่าง. แผงเซลล์แสงอาทิตย์มีขนาดใหญ่และหนัก ทำให้มีราคาแพงในการเปิดใช้ และต้องใช้สายไฟจำนวนมากในการส่งพลังงาน เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ ทีมงาน SSPP ต้องมองเห็นและสร้างเทคโนโลยี สถาปัตยกรรม วัสดุ และโครงสร้างใหม่สำหรับระบบที่สามารถใช้งานจริงจากพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศ ในขณะที่มีน้ำหนักเบาพอที่จะประหยัดต้นทุนสำหรับการใช้งานจำนวนมาก ในอวกาศและแข็งแรงพอที่จะทนต่อสภาพแวดล้อมในอวกาศที่ลงโทษได้ "DOLCE แสดงให้เห็นถึงสถาปัตยกรรมใหม่สำหรับยานอวกาศที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์และอาร์เรย์เสาอากาศแบบแบ่งเฟส โดยใช้ประโยชน์จากวัสดุคอมโพสิตบางเฉียบรุ่นล่าสุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นในการบรรจุภัณฑ์อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ด้วยความก้าวหน้าเพิ่มเติมที่เราได้เริ่มดำเนินการไปแล้ว ภารกิจอวกาศในอนาคตอันหลากหลาย” เพลเลกรีโนกล่าว "อาร์เรย์ MAPLE ที่ยืดหยุ่นทั้งหมด รวมถึงชิปอิเล็กทรอนิกส์ถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายหลักและองค์ประกอบการส่งสัญญาณ ได้รับการออกแบบใหม่ทั้งหมด สิ่งนี้ไม่ได้ทำมาจากสิ่งของที่คุณสามารถซื้อได้เพราะไม่มีอยู่จริงด้วยซ้ำ การคิดใหม่ขั้นพื้นฐานของ ระบบตั้งแต่ต้นจนจบเป็นสิ่งจำเป็นในการทำให้โซลูชันปรับขนาดได้สำหรับ SSPP" Hajimiri กล่าว ชุดต้นแบบทั้งสามชุดภายใน SSPD ได้รับการจินตนาการ ออกแบบ สร้าง และทดสอบโดยทีมงานประมาณ 35 คน Hajimiri กล่าวว่า "สิ่งนี้สำเร็จได้ด้วยทีมงานขนาดเล็กและทรัพยากรน้อยกว่าที่มีอยู่ในภาคอุตสาหกรรม แทนที่จะเป็นด้านวิชาการ ทีมงานที่มีความสามารถสูงในทีมของเราทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้" Hajimiri กล่าว อย่างไรก็ตาม บุคคลเหล่านี้เป็นกลุ่มนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา นักวิจัยหลังปริญญาเอก และนักวิทยาศาสตร์การวิจัย ปัจจุบันเป็นตัวแทนของความล้ำหน้าในด้านพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศที่กำลังเติบโต "เรากำลังสร้างวิศวกรอวกาศรุ่นต่อไป" Harry A. Atwater นักวิจัย SSPP ประธานฝ่าย Otis Booth แผนกวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ของ Caltech และศาสตราจารย์ Howard Hughes สาขา Applied Physics and Materials Science และผู้อำนวยการของ Liquid Sunlight Alliance เป็นสถาบันวิจัยที่อุทิศตนให้กับการใช้แสงอาทิตย์เพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ของเหลวที่สามารถใช้กับสารเคมีอุตสาหกรรม เชื้อเพลิง และวัสดุก่อสร้างหรือผลิตภัณฑ์ต่างๆ ความสำเร็จหรือความล้มเหลวจากการทดสอบทั้งสามจะถูกวัดด้วยวิธีที่หลากหลาย การทดสอบที่สำคัญที่สุดสำหรับ DOLCE คือโครงสร้างปรับใช้อย่างสมบูรณ์จากการกำหนดค่าแบบพับเป็นการกำหนดค่าแบบเปิด สำหรับ ALBA การทดสอบที่ประสบความสำเร็จจะให้การประเมินว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใดทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นสูงสุด เป้าหมายของ MAPLE คือการสาธิตการส่งพลังงานในพื้นที่ว่างแบบเลือกไปยังเป้าหมายเฉพาะต่างๆ ตามต้องการ "หลายครั้ง เราถามเพื่อนร่วมงานที่ JPL และในอุตสาหกรรมอวกาศแคลิฟอร์เนียตอนใต้เพื่อขอคำแนะนำเกี่ยวกับขั้นตอนการออกแบบและการทดสอบที่ใช้เพื่อพัฒนาภารกิจที่ประสบความสำเร็จ เราพยายามลดความเสี่ยงของความล้มเหลว แม้ว่าการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ทั้งหมดนั้น โดยเนื้อแท้แล้วเป็นกระบวนการที่มีความเสี่ยง” เพลเลกรีโนกล่าว