كيفية بناء شبكة كهرباء على القمر

استخدمت الغزوات المبكرة للقمر تقنيات الإقصاء ، المصممة للعمل خلال فترة الأسبوعين من ضوء النهار القمري ، ثم الفناء في تجميد الليل الطويل. ولكن للحفاظ على المستعمرة ، يجب بذل كل شيء من أجل البقاء على قيد الحياة المتطرفة المميتة. خلال النهار ، يمكن أن تصل درجات حرارة القمر إلى 120 درجة مئوية عند خط الاستواء. تنخفض درجة الحرارة ليلاً إلى -220 درجة مئوية ، مثل برودة بلوتو. بدون سخان ، تتعطل المعدات. تصبح المكونات الهيكلية هشة ويمكن أن تتصدع من الضغوط الميكانيكية لهذا التأرجح الهائل في درجة الحرارة. بدون ضوء الشمس ، تصبح الألواح الشمسية عديمة الفائدة ، وبالتالي فإن امتدادها الواسع يؤدي إلى فقدان الحرارة فقط. تفقد البطاريات قدرتها ، وتتجمد مكوناتها السائلة ، مما يتطلب دورة متعطشة للطاقة لاستخدام الكثير من الطاقة في البطاريات فقط لتسخين نفسها.

في طريقها إلى القمر ، تواجه المركبة الفضائية أيضًا تقلبات شديدة في درجات الحرارة ، حيث يكون الجانب المظلل أبرد بمئات الدرجات من الجانب المشمس. يعمل مزيج من العزل والانعكاس والطاقة المنتجة من الألواح الشمسية على إبقاء المركبة الفضائية بأكملها ضمن نطاق درجة حرارة مقبول طوال رحلتها. فقط بعد هبوط المركبة الفضائية ، يبدأ العد التنازلي لتلك الظروف الليلية الصعبة للغاية على القمر.

تنجو معظم مهام الفضاء السحيق ، مثل Voyager و New Horizons ، ومسبارات سطح القمر طويلة المدى ، مثل حزمة Apollo Lunar Surface Experiment Package (ALSEP) ، مع ضوء الشمس المحدود عن طريق استخدام مولدات حرارية للنظائر المشعة. يمكن أن تنتج هذه المولدات الحرارة باستمرار لعقود من الزمن ، ولكن نظرًا للوقود الإشعاعي العالي المطلوب ، فإنها تمثل تحديات للسلامة ، وتحديد المصادر ، والموافقة التنظيمية. ستكون الطاقة الشمسية حلاً أفضل إذا كان بإمكانها أن تخدم أقصى سطح القمر.

نحن وزملاؤنا في Astrobotic ، وهي شركة صغيرة مقرها بيتسبرغ تأسست في عام 2007 ، في مهمة لجعل الفضاء في متناول العالم. تشتهر الشركة بأسطولها من مركبات الهبوط على سطح القمر ، والذي يشمل Peregrine ، التي من المقرر أن تكون مهمتها الأولى في عام 2023 ، وغريفين ، المقرر نقلها من ناسا لاستكشاف المواد المتطايرة لاستكشاف القطب (VIPER) إلى القطب الجنوبي القمري في عام 2024. الآن تهدف الشركة إلى حل مشكلة الطاقة على القمر من خلال خدمة يمكنها جمع الطاقة الشمسية في القطبين ، حيث لا تكون أشعة الشمس بعيدة ، وتوزيعها على الأماكن الغارقة في الظلام.

سيتألف النظام الذي نعتزم بناءه على القمر ، والذي يطلق عليه اسم LunaGrid ، من شبكة من محطات توليد الطاقة الشمسية ، أو العقد ، المتصلة بكابلات الإرسال. تم تصميم هذه الشبكة لتوصيل الطاقة عند الحاجة إليها عبر أسطول من المركبات الآلية. تخطط Astrobotic لإظهار نظام الجيل الأول في وقت مبكر من عام 2026 ، مع تشغيل أول LunaGrid الكامل بحلول عام 2028 في القطب الجنوبي للقمر.

لماذا هناك؟ لأنه ، من خلال برنامج Artemis الخاص بها ، تخطط وكالة ناسا لهبوط رواد فضاء على القمر في عام 2025 وإنشاء قاعدة دائمة بالقرب من القطب الجنوبي للقمر بحلول عام 2030. ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة في هذه المنطقة الفوهات العميقة التي تقع أجزاءها الداخلية بشكل دائم في الظل وبالتالي تظل تمامًا. بارد. هذه الفخاخ الباردة الطبيعية هي المكان الذي يمكن فيه العثور على جليد الماء. يمكن أن يوفر هذا الجليد الماء للشرب ، وبعد الخضوع للتحليل الكهربائي ، يوفر الأكسجين للتنفس. المنتج الآخر لهذا التحليل الكهربائي ، الهيدروجين ، إلى جانب الأكسجين ، قد يُستخدمان يومًا ما لإعادة تزويد الصواريخ بالوقود. يجب بناء قاعدة أرتميس بالقرب من هذه المناطق المظللة بشكل دائم. سيتطلب مجرد استكشاف هذه الحفر قوة أكبر بكثير من تلك المطلوبة بالفعل للحفاظ على عمليات قاعدة أرتميس. لم تحاول أي من بعثات أبولو إنتاج طاقة كافية للبقاء على قيد الحياة في الليل القمري. تم تنفيذ جميع هذه المهام خلال النهار القمري حتى يتمكن رواد الفضاء من العمل في دفء الشمس. وفرت خلايا الوقود الطاقة ، بدلاً من الخلايا الشمسية ، لأن الخلايا الشمسية في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي كانت ذات نسبة عالية من الوزن إلى الطاقة. لكن التقدم التكنولوجي في العقود القليلة الماضية جعل الألواح الشمسية أخف بكثير.

نجا عدد من الروبوتات القمرية صغيرة الحجم ، مثل ALSEP في الولايات المتحدة ، ومركبة Lunakhod التابعة للاتحاد السوفيتي ، ومركبات الهبوط الصينية Chang’e الأخيرة على مدى شهور أو سنوات باستخدام الطاقة النووية. لقد حققوا ذلك باستخدام وحدة تسخين بالنظائر المشعة ، والتي تستخدم النشاط الإشعاعي لتسخين الأشياء مباشرة ، ومولد كهربائي حراري للنظائر المشعة ، والذي يحول الحرارة المشعة إلى كهرباء.

تم اقتراح مفاعلات الانشطار للحفاظ على مهمة Artemis. لكن هذه التكنولوجيا تواجه نفس التحديات مثل البدائل النووية السابقة: أي نهج يتضمن إطلاق حمولات مشعة يجب أن يتغلب على عقبات أمان وعقبات تنظيمية كبيرة لإطلاقها. لم تستبعد أستروبوتك الطاقة النووية – فقد دخلت في شراكة مع وستنجهاوس لتطوير مفاعلات انشطارية لعقد مشترك بين وكالة ناسا ووزارة الطاقة. ولكن لتزويد قاعدة أرتميس بالطاقة في السنوات الأولى ، تتوقع الشركة أن تعتمد ناسا نظام LunaGrid التابع لشركة Astrobotic والذي يعمل بالطاقة الشمسية بالكامل. إليك كيفية تصميمه نحن وزملاؤنا للعمل.

يفتح CubeRover لوحه الشمسي ، ثم يحوله إلى اتجاه رأسي. جون ماكنيل

شبكة الطاقة القمرية

ستتألف LunaGrid من شبكة معيارية من محطات الطاقة الثابتة ومحطات الشحن المتنقلة. سيتم توصيل محطات الطاقة الثابتة بواسطة الكابلات الكهربائية. تُفضل هذه التوصيلات الكهربائية المباشرة على نقل الطاقة باستخدام الميكروويف أو الليزر ، والذي ينطوي على عدم الكفاءة ويمكن أن يشكل أخطارًا على رواد الفضاء العاملين في المنطقة.

سيتم نشر المحطات بالقرب من القطب الجنوبي للقمر ، حيث تكون المنطقة المضاءة بنور الشمس قريبة بدرجة كافية من المنطقة الليلية لضمان أن بعض هذه المحطات الشمسية على الأقل ستوفر الطاقة دائمًا. وليس بعيدًا توجد أرضيات الحفرة المظللة بشكل دائم والتي تحمل الجليد المائي. بالطبع ، يمكن أن تعمل LunaGrid أيضًا في القطب الشمالي ، يجب أن تكون هناك قاعدة مبنية هناك.

على الأرض ، عادةً ما يتم تثبيت الألواح الشمسية على سطح أفقي أو شبه أفقي. يعمل هذا بشكل جيد حيث تشرق الشمس عالياً في السماء في منتصف النهار. لكن في قطبي القمر ، تظل الشمس دائمًا قريبة من الأفق. لذلك لاعتراض معظم الضوء ، يجب إعداد الألواح الشمسية عموديًا.

تظهر صورة القمر هذه القطب الجنوبي [bottom]مكان تشرق فيه الشمس دائمًا ويمكن لمحطات الطاقة الشمسية دائمًا توفير الطاقة منه. ناسا

تحتوي المعدات التي نخطط لاستخدامها على ألواح شمسية ملفوفة تقف فوق قاعدة العربة الجوالة. تصل هذه الألواح الشمسية العمودية ، بمجرد فتحها ، إلى أكثر من 20 مترًا فوق سطح الأرض. يسمح التصميم المتحرك للمحطة بالنزول من مركبة الهبوط إلى سطح القمر ، وتسويتها ، والانتقال إلى موضع بعيد ، كل ذلك أثناء إدارة كابلات الطاقة التي قد تمتد حتى 2 كيلومتر. يتجنب هذا النهج الحاجة إلى رواد فضاء أو مركبة روبوتية مصممة لهذا الغرض لنشر هذه المعدات المولدة للطاقة.

يتم حاليًا استخدام مجموعة الطاقة الشمسية ، من شركة Redwire للطيران والفضاء ، في جاكسونفيل ، فلوريدا ، في محطة الفضاء الدولية. ستستخدم محطات الطاقة الثابتة أغطية الخلايا الشمسية الكهروديناميكية من مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا ، والتي تخلق قوة تمنع جزيئات الغبار من الاستقرار على الألواح. لتحويل الطاقة من محطات فردية بحيث يمكن تغذيتها في الشبكة ، يستخدم النظام إلكترونيات معالجة الطاقة التي تم تطويرها في مركز أبحاث جلين التابع لناسا.

ما لا تستطيع المحطات أن تفعله بنفسها هو توزيع الطاقة على مواقع منفصلة عن هذه الشبكة. يتم ذلك باستخدام مركبات آلية صغيرة ، تسمى CubeRovers ، والتي تعمل بمثابة الأيدي الذكية لنظام LunaGrid. يتراوح وزن هذه الروبوتات المعيارية خفيفة الوزن من 4.6 إلى 10.6 كجم. يمكن لكل منها حمل نصف كتلتها بحمولة إضافية ، ويمكنها قطع عدة كيلومترات في يوم قمري واحد. هذا سريع بالنسبة لتكنولوجيا المركبات الفضائية. في المقابل ، قطعت المركبة المريخية سبيريت أقل من 10 كيلومترات على مدار أكثر من 2000 يوم أرضي. سيستخدم CubeRovers الكابلات لتوصيل المعدات المتعطشة للطاقة القريبة (على بعد حوالي 100 متر) بالشبكة.

سيبقى CubeRover مرتبطًا بكل مجموعة شمسية عمودية عندما ينتقل إلى الوجهة المرغوبة ، ثم يتصل بأي شيء يحتاج إلى طاقة. فكر في الأمر على أنه سلك تمديد آلي. سيوفر CubeRover شحنًا لاسلكيًا قصير المدى في أي مكان في المنطقة حيث يحتاج شيء ما إلى الطاقة. على سبيل المثال ، يمكن لـ NASA In-Situ Resource Utilization Excavator إعادة الشحن عبر CubeRover في موقع حفر مظلل ، بدلاً من الاضطرار إلى تكريس الوقت والطاقة للعودة إلى عقدة توليد الطاقة أو إلى مركبة الهبوط المزودة بألواح شمسية.

يجب أن تكون كبلات النقل التي تربط محطات توليد الطاقة معًا قادرة على الامتداد لمسافة لا تقل عن كيلومترين وأن تدوم أيضًا لسنوات. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في تآكل الكابل عند سحبه فوق الثرى القمري – الحبيبات الموجودة على سطح القمر. على عكس التربة الأرضية ، لم يتم تجويتها إلى جزيئات مستديرة بسلاسة. وبدلاً من ذلك ، فهو يشبه الزجاج المكسور بدقة – وهو حاد بدرجة كافية لتمزيق طبقات أحذية رواد الفضاء أو تدمير الأختام المفرغة لحاويات العينات. ونظرًا لأن الغبار يتم أيضًا شحنه إلكتروستاتيكيًا بواسطة الأيونات المتدفقة من الشمس ، فإنه يميل إلى الالتصاق ببدلات الفضاء ، والتسلل داخل المسبار ، ومعدات الانسداد.

مشكلة أخرى هي كيفية نقل الطاقة إلى المعدات التي تحتاجها. تميل التوصيلات الكهربائية المتزاوجة ميكانيكيًا ، مثل ما تقوم بتوصيله بشكل روتيني بجدارك ، إلى الانسداد بالغبار. أيضًا ، يتطلب توصيل الأشياء مهارة يصعب على الروبوتات والأشخاص الذين يرتدون بدلات الفضاء تحقيقها. لذا صممت Astrobotic شاحنًا لاسلكيًا باستخدام تقنية طورتها WiBotic و Bosch وجامعة واشنطن. لا يتطلب محاذاة مثالية – قريبة جدًا. لنكون أكثر تحديدًا ، يمكن أن يعمل الشاحن اللاسلكي وملفات الاستقبال مفصولة بما يصل إلى 4 سنتيمترات ، مع ما يصل إلى 40 درجة من الإزاحة الزاويّة.

تشغيل الكواكب

في عام 2026 ، عندما تهبط عقدة LunaGrid الأولى بالقرب من القطب الجنوبي للقمر ، ستخرج محطة طاقة متنقلة من مركبة الهبوط Astrobotic ، وتنزل إلى السطح ، وتقود لمسافة تصل إلى كيلومترين ، مما يؤدي إلى إخراج كابل نقل الطاقة أثناء وجوده يذهب. ثم ستفتح المحطة صفيفها الشمسي العمودي ، لتشكل عقدة LunaGrid الثانية. ستولد كلا العقدتين الطاقة الشمسية ، والتي يمكن نقلها بين هاتين المحطتين أو إرسالها إلى معدات أخرى في المنطقة عبر CubeRovers المجهزة بشواحن لاسلكية.

بحلول عام 2028 ، سيتم ربط مهمات إضافية بمعدات مماثلة بهاتين المحطتين الأوليين بمزيد من العقد باستخدام كبلات نقل طاقة مماثلة ، لتشكيل شبكة طاقة كاملة يمكنها أن تخدم على الفور قاعدة القمر Artemis أو غيرها من المعدات.

نظرًا لأن LunaGrid تستخدم المصفوفات الشمسية العمودية ، فيمكن استخدامها في أي مكان يكون فيه ارتفاع الشمس فوق الأفق منخفضًا ، مثل أقطاب معظم الأقمار أو الكواكب الأخرى. يمكن لـ LunaGrid أيضًا استخدام المصفوفات الشمسية الأفقية أو المائلة عند خطوط العرض المنخفضة. بالنسبة للأقمار أو الكواكب البعيدة عن الشمس ، يجب أن تكون المصفوفات أكبر أو تحتوي على عدد أكبر من العقد ، بالطبع ، لكن الطاقة الشمسية ، من حيث المبدأ ، يمكن أن توفر مصدرًا مناسبًا للطاقة لاستكشاف الفضاء حتى بعيدًا عن الشمس.

تخيل أنه عام 2040 وأن العمل على القمر هو أمر روتيني لكل من الروبوتات والناس. ربما ستوجد قرى بحثية ، لا تختلف عن تلك الموجودة في أنتاركتيكا. ويمكن توصيل كل مهمة قمرية جديدة ، كل مشروع جديد ، بشبكة دائمة التوسع توفر الطاقة للأجهزة العلمية ، لبناء مركبات الإطلاق في الفضاء السحيق ، ولإنتاج الوقود الذي يحتاجون إليه.