მომავლის ტექნოლოგიები კოსმოსში – ჩახვეული მზის ბატარეები

 მთვარეზე, მარსზე და მათ მიღმა კომერციული ფრენების განხორციელება წარმოუდგენელ საინჟინრო-ტექნოლოგიურ სირთულეებს უკავშირდება. ამ პრობლემების გადასაჭრელად, NASA-ს კოსმოსური ტექნოლოგიების მისიის დირექტორატი (STMD),  მეწარმეების, მკვლევარების და ინოვატორების საზოგადოების მეშვეობით, ახალ ტექნოლოგიებს მოიზიდავს. STMD მხარს უჭერს ნებისმიერ ასეთ პროექტს იდეიდან გამოყენებამდე, რაც იმის თვალსაჩინო მაგალითია, თუ როგორ წაახალისებს NASA ინოვაციური ტექნოლოგიების დანერგვას, განვითარებას, დემონსტრირებას და კომერციალიზაციას.

ტექნოლოგია

 კოსმოსში მუშაობისთვის განკუთვნილი სტანდარტული მზის ბატარეები ძვირია, მძიმე, და ხშირად მათი გამოყენებაც ძალიან რთულია. სულ სხვაა კომპაქტური დიზაინის მქონე მზის ბატარეების გრაგნილი – ROSA (Roll-Out Solar Arrays) – ეს ალტერნატიული ტექნოლოგია შეუდარებლად უფრო იაფი და ტრანსპორტაბელურია, ხოლო მისი ავტონომიურობა შესაძლებლობას იძლევა მოვიცვათ სამეცნიერო და კომერციული მისსიების ფართო სპექტრი, დედამიწის დაბალი ორბიტიდან დაწყებული – პლანეტათაშორისი მოგზაურობით დამთავრებული. ROSA ახლახანს დაამონტაჟეს საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე, რამაც მნიშვნელოვნად გაზარდა მისი ელექტრომომარაგების სიმძლავრე. ROSA ტექნოლოგიები გამოიყენება ღრმა კოსმოსის კვლევის ისეთ მისსიებში, როგორიცაა ორმაგი ასტეროიდის გადამისამართების ტესტი და  კარიბჭე; ROSA დიზაინი ინტეგრირებულია კომერციულ თანამგზავრებშიც.

 ROSA თავის დროზე გასაშლელი კოსმოსური სისტემების DSS  (Deployable Space Systems) პროგრამის ფარგლებში შეიქმნა, რომელსაც NASA-ს STMD 2009 წლიდან აფინანსებს. 2021 წელს ის კორპორაცია Redwire-მა გადაიბარა და აგრძელებს ROSA-ს ინფუზიას როგორც NASA-ში, ასევე კომერციულ მისსიებში.

გამოწვევა

 „თქვენ შექმნით მარტივ კონცეფციას, მაგრამ კოსმოსში გასასვლელად, რაკეტის ძრავში მიმდინარე კონტროლირებადი აფეთქების სერია არის ის, რაც განაპირობებს თქვენს დიზაინს“, – თქვა კენ სთილმა, Redwire-ის ბიზნესის განვითარების ვიცე-პრეზიდენტმა.

 მზე კოსმოსში ენერგიის უდიდესი წყაროა, რომელიც წამში უფრო მეტ ენერგიას გამოიმუშავებს, ვიდრე კაცობრიობამ  ბოლო 70 წლის განმავლობაში მოიხმარა. კოსმოსური ხომალდების უმეტესობა მზის პანელებს სხვადასხვა საჭიროებისთვის, უწყვეტი ენერგიის უზრუნველსაყოფად იყენებს, როგორიცაა, მაგალითად, თერმული და დატვირთვის ოპერაციები. მზის პანელების დიზაინი ორ ძირითად პარამეტრს ეფუძნება – ზომა და საიმედოობა, რომელთა ოპტიმიზაცია ყველაზე რთულია. პანელების ზომა გავლენას ახდენს გაშვების ღირებულებაზე, ხოლო ტემპერატურული რყევების, მაღალი რადიაციული ფონის და მიკრომეტეოროიდული ზემოქმედების გასაძლებად გრძელვადიანი საიმედოობის უზრუნველყოფაა საჭირო, სტანდარტული დიზაინებით დამზადებული მზის პანელები ხისტი, დიდი და მძიმეა. STMD-ს დამსახურება ის არის, რომ ROSA-ს მზის პანელების დიზაინის გაუმჯობესება მოახერხა.

უპირატესობები

 ზომა: ROSA კომპაქტური მზის პანელია, რომელიც კონტეინერში ხალიჩასავით ეხვევა. ეს მას უფრო ადვილად ტრანსპორტირებადს ხდის და ზედაპირის ფართობის მნშვნელოვნად გაზრდის საშუალებასაც იძლევა. გარდა ამისა, DSS-ის  მიერ შექმნილი მოქნილი დიზაინი ყველა ტიპის მისიის მოთხოვნებს აკმაყოფილებს. ROSA-ს ზომები შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს მცირე სატელიტური აპლიკაციებისთვის, ან წარმოუდგენლად დიდი გახდეს ღრმა კოსმოსური მისიებისთვის.

 გაშლა/განლაგება: როგორც მეთ ლაპოინტემ, კორპორაცია Redwire-ის iROSA (ISS ROSA) ტექნიკურმა დირექტორმა განაცხადა, მათ მარტივი გასაშლელი კომპოზიტური გრაგნილების სისტემები შეიმუშავეს. დიდი ზომის მზის ბატარეების მართვას, ბროგორც წესი, გარკვეული თანმიმდევრობით განლაგებული ძრავების სისტემები ესაჭიროება, რომლის დამზადებაც უზარმაზარ ადამიანურ რესურსს და მრავალ ელექტროსქემას მოითხოვს. შედარებისთვის, ROSA-ს ზამბარებზე დაფუძნებული, ავტონომიური ამძრავი სისტემა აქვს და კომპოზიტურ გრაგნილებში შექმნილ დაძაბულობის ენერგიას იყენებს. კომპოზიტური გრაგნილების გამოყენება მკვეთრად ამცირებს მექანიზმების შეფერხების ან ძრავების გაჭედვის ალბათობას.

მუშაობა/ფუნქციონირება

 ROSA-ები მაღალი ხარისხის, წნული, კომპოზიტური ძაფებისაგან შედგება, ამიტომ, ტრადიციულ მზის ბატარეებთან შედარებით, შეუძლიათ გამოიმუშაონ 30 კილოვატზე მეტი თითო პანელზე, ზომის მიხედვით. ROSA-ებს უაღრესად ეფექტური მზის გამოსხივების კონცენტრატორები აქვს, რომელთა სიძლავრის კიდევ უფრო მეტად გასაზრდელად ექსპერიმენტების უწყვეტი სერია მიმდინარეობს. კომპოზიტურ გრაგნილებს ახასიათებს სტრუქტურული სიმტკიცე და შეუძლია გაუძლოს დინამიურ გარემოს, სიხშირეების დიაპაზონს და ნამსხვრევების ან მიკრომეტეოროიდების შეჯახებას, რაც ხანგრძლივი მისიების საიმედოობის უზრუნველსაყოფად აუცილებელ პირობას წარმოადგენს.

ტექნოლოგიების განვითარება – დაფინანსება 2009 – 2013 წლებში

 საჰაერო ძალების მცირე ბიზნესის ინოვაციების კვლევის (SBIR) ჯილდოს მიღებამ გადამწყვეტი როლი ითამაშა ROSA ტექნოლოგიის რეალიზაციაში. 2009 წელს, ROSA-ს კვლევისა და განვითარებისთვის, SBIR-მა  DSS-ის გუნდს I და II ფაზის ჯილდო მიანიჭა, საერთო ჯამში $850,000. მომდევნო რამდენიმე წელიწადში, DSS-მა, ფუნქციური პროტოტიპის შემუშავებისთვის, NASA-სგან 20-მდე დამატებითი ჯილდო მიიღო. 2014 წელს STMD-ის ტექნოლოგიების სადემონსტრაციო მისიებმა მხარი დაუჭირეს ახალი მზის ბატარეების სახმელეთო დემონსტრაციას, რამაც დაამტკიცა, რომ ROSA-ს, იმდროინდელ თანამედროვე მასივებთან შედარებით, უფრო მეტი საორიენტაციო მოქნილობა, სამუშაო ძაბვა და თითო პანელზე მეტი სიმძლავრე გააჩნდა.

2017-2019: ფრენის დემონსტრირება და კომერციალიზაციის ზრდა

 DSS-მ,  საჰაერო ძალების კვლევით ლაბორატორიასთან (AFRL) თანამშრომლობით, 2017 წლის ივნისში, ახალი მზის ბატარეების კოსმოსურ სადგურზე გამოცდა დიდი წარმატებით განხორციელდა. კოსმოსური დემოს დროს ROSA-მ სამი ტიპის თავსებადი მზის უჯრედები გამოსცადა. შედეგად პროგრამამ სამოქალაქო ტექნოლოგიების საპილოტე პროექტების კომერციალიზაციის ფონდის (CCRPP) დაფინანსება მიიღო.

 სხვადასხვა დროს, NASA-ს STMD-ის მიერ გაწეულმა ფინანსურმა დახმარებებმა, DSS-ს ROSA-ს ხარისხის მუდმივად გაუმჯობესების საშუალება მისცა. პრაქტიკულად, კომპანიამ ახალი დონის სამეცნიერო, ტექნიკური და კომერციული სტანდარტები დაამკვიდრა. ტექნოლოგიას TRL 9  ხარისხი მიენიჭა.

 TRL,  ანუ ტექნოლოგიის მზადყოფნის დონის განსაზღვის პროგრამა – დაფუძნებულია პარამეტრების ერთობლიობაზე, რომელთა საფუძველზეც შემუშავებული ტექნოლოგიის მომზადების დონე განისაზღვრება. TRL 8 ტექნოლოგია გამოცდილია და მზად არის დანერგვისთვის არსებულ სისტემებში, ხოლო TRL 9 ტექნოლოგია დადასტურებულია წარმატებული მისსიის ოპერაციებით.

ინფუზია და კომერციალიზაცია: საკაცობრიო კვლევები დაბალ ორბიტაზე: ISS ელექტრომომარაგების გაუმჯობესების პროგრამა

 ”ISS-ს ელექტროენერგიის სიმძლავრეების მატებისთვის ინოვაციური ტექნოლოგიების დანერგვის” პროგრამის ფარგლებში, 2021 წლის 20 ივნისს NASA-ს ასტრონავტებმა, საერთაშორისო კოსმოსურ სადგურზე, ორი ახალი iROSA-ს ინსტალაცია მოახდინეს. iROSA-ები ტრადიციული მზის პანელების წინ იშლება და 28 კილოვატზე მეტ ენერგიას გამოიმუშავებს. თითოეული iROSA არის ძველი პანელების ზომის თითქმის ნახევარია და ტრადიციულ პანელებს ბოლომდე არ ჩრდილავს, რაც საშუალებას აძლევს მათ გააგრძელონ დაახლოებით 95 კვტ კომბინირებული სიმძლავრის გამომუშავება. ექვსივე iROSA-ის დამონტაჟების შემდეგ, სადგურის ელექტროენერგიის გამომუშავება, საერთო ჯამში, 250 კვტ ფარგლებში შეიძლება გაიზარდოს, რაც 30%-ზე მეტია.

მთვარის კვლევებში ჩართვა: კარიბჭის სიმძლავრე და მამოძრავებელი ელემენტი

 კარიბჭე ორბიტული გადამისამართების პოსტია, ანუ ავტომატური სადგური დედამიწას, მთვარესა და უფრო ღრმა კოსმოსურ მიმართულებებს შორის. კარიბჭე შეიქმნება NASA-ს არტემისის პროგრამისთვის, როგორც ახალი სამეცნიერო გამოკვლევების, ასტრონავტების ექსპედიციებისა და ღრმა კოსმოსური ფრენების განხორციელების გამოცდილების ადგილი, რაც გადამწყვეტი იქნება მთვარეზე და მარსზე ეკიპაჟის პირველი მისიისთვის მოსამზადებლად. კარიბჭის სიმძლავრეებისა და ამძრავების ელემენტი (PPE – Power and Propulsion Element) არის მზის ბატარეებზე მომუშავე, ელექტრონული ამძრავებით აღჭურვილი კოსმოსური ხომალდი, რომელიც სხვა აპარატებისთვის უზრუნველყოფს სიმძლავრეების მიწოდებას, მაღალსიჩქარიან კომუნიკაციებს, ორიენტაციის კონტროლს და თვით კარიბჭის (Gateway) -ის გადაადგილებას მთვარის სხვადასხვა ორბიტაზე. PPE მთლიანად იკვებება ორი ROSA-ით, რომლებიც ჯამში  60 კვტ.-ს გამოიმუშავებს.

ღრმა კოსმოსის კვლევაში ჩართვა: ორმაგი ასტეროიდის გადამისამართების ტესტი (DART)

 DART – პლანეტარულ თავდაცვაზე ორიენტირებული ტექნოლოგიების ტესტია, რომელსაც დედამიწის საშიში ასტეროიდებისგან დაცვა აკისრია. DART განზრახ შეეჯახება სამიზნე ასტეროიდს, რომ  მისი სიჩქარე და ფრენის მიმართულება შეცვალოს. გასაგებია, რომ ასეთი კოსმოსური ხომალდის მზის პანელები იაფი და მსუბუქი უნდა იყოს; ამავდროულად, მას უნდა ჰქონდეს ამძრავი სისტემის ენერგიით მომარაგების უნარი. ამ მიზნების შესასრულებლად შეირჩა ROSA, რისთვისაც დამატებითი ტექნოლოგიური მანიპულაციები განხორციელდა: ზოგიერთი მზის ელემენტი შეიცვალა მოწინავე მზის უჯრედებითა და კონცენტრატორებით, რათა შეემოწმებინათ მათი სიცოცხლისუნარიანობა გარე პლანეტებზე დაგეგმილი მისსიებისთვის, სადაც მზის შუქის რაოდენობა ძალიან დაბალია. კონცენტრატორები უზრუნველყოფენ სითბოს მზის უჯრედების მუშაობის გასაუმჯობესებლად დაბალ შუქზე, და დაბალ ტემპერატურაზე ღრმა სივრცეში. უფრო მეტიც, ამ კონცენტრატორებს შეუძლიათ შეცვალონ მრავალი მზის უჯრედი, შეამცირონ მზის სისტემის შიდა მისიების ღირებულება და შესრულების საიმედოობა. DART-მა, თითქმის 15 მლნ კილომეტრის დაშორებით მყოფი ასტეროიდული სისტემისკენ გეზი აიღო 2021 წლის 24 ნოემბერს. ხომალდი ორი ROSA სისტემითაა აღჭურვილი, რომლებსაც ავტონომიური განლაგების უნარი გააჩნიათ და მზისგან მაქსიმალური სიმძლავრის მისაღებად სირცეში ორიენტირებენ.

ჩართვა კომერციაში: Maxar ტექნოლოგიები

 Maxar Technologies-მა ROSA-ს მზის ბატარეების მოდულური ვერსიები კომერციულ გეოსტაციონალურ თანამგზავრულ პროდუქტებში შემოიტანა.

 გაქვთ ტექნოლოგია და გსურთ მიიღოთ NASA’s ტექნოლოგიური მისსიების დირექტორატის მხარდაჭერა? დაუკავშირდით.