استخدام الألواح الشمسية في الأقمار الصناعية
تعتمد المركبات الفضائية التي تدور حول الأرض والعاملة في النظام الشمسي الداخلي، والتي تسمى بالأقمار الصناعية ، عادةً على استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية لتوليد الكهرباء من ضوء الشمس، حيث أنها قريبة بدرجة كافية من الشمس، تقوم الكهرباء من الألواح الشمسية بشحن بطارية في المركبة الفضائية. يمكن لهذه البطاريات تشغيل المركبة الفضائية حتى عندما تتحرك بعيدًا عن ضوء الشمس المباشر.
أهمية الألواح الشمسية في إنتاج الطاقة
تساعد الألواح الشمسية في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية لتشغيل الأقمار الصناعية، مما يجعلها مصدرًا رئيسيًا للطاقة وبالتالي أحد أهم الأجزاء في المركبة الفضائية. بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت مساحة الألواح الشمسية الفضائية، زادت كمية ضوء الشمس الذي تلتقطه، وبالتالي زادت الطاقة الكهربائية التي تولدها.
والجدير بالذكر بأنه يمكن أن يحتوي القمر الصناعي أو المركبة الفضائية على لوحة شمسية واحدة أو عدة ألواح، وذلك يعتمد على مقدار الحاجة إلى الطاقة وأبعاد وحجم القمر الصناعي أو المركبة الصناعية. وغالبًا ما يشار إلى جميع الألواح الشمسية التي تستخدم في هذا المجال باسم المصفوفة الشمسية.
تنتج المصفوفات الشمسية طاقة أكثر مما تحتاجه المركبة الفضائية أو القمر الصناعي (المحطة) في الوقت الواحد لأنظمتها وتجاربها، حيث أنه عندما تكون المحطة في ضوء الشمس، يتم استخدام حوالي 60 بالمائة من الكهرباء التي تولدها المصفوفات الشمسية لشحن بطاريات المحطة.
في بعض الأحيان، يكون بعض أو كل المصفوفات الشمسية في ظل الأرض أو ظل جزء من المحطة. هذا يعني أن تلك المصفوفات لا تجمع ضوء الشمس، مما يستدعي وجود البطاريات التي تعمل على تشغيل المحطة عندما لا تتمكن من الحصول على أشعة الشمس مباشرة، وفيما يلي سيتم شرح ذلك بالتفصيل.
طرق حصول الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية على الطاقة
من أهم المعوقات لاستخدام الطاقة الشمسية لتشغيل الأقمار الصناعية هو أنه في النظام الشمسي الخارجي، تكون ضوء الشمس أضعف من أن تنتج طاقة كهربائية كافية، ولذلك يتم استخدام مولدات النظائر المشعة الكهروحرارية كمصدر للطاقة. ومع ذلك، لا تعمل الطاقة الشمسية لجميع المركبات الفضائية، حيث أنه عند انتقال هذه المركبات بعيدًا عن الشمس، تصبح الطاقة الشمسية أقل كفاءة.
بالإضافة إلى ذلك‘ قد تكون المستكشفات التي تعمل بالطاقة الشمسية محدودة أيضًا بسبب طقس الكوكب وفصوله، والإشعاع القاسي وقد لا يتمكنون من استكشاف البيئات المظلمة والمغبرة، مثل الكهوف على القمر. وبالتالي، عندما لا تعمل المركبة بالطاقة الشمسية مباشرة فإنه يتحتم أن تحصل المركبة الفضائية على قوتها بطريقة أخرى.
الطاقة من البطاريات
لذلك، طور العلماء طرقًا أخرى يمكن أن تحصل بها هذه المركبات الفضائية على الطاقة. تتمثل إحدى الطرق في استخدام البطاريات التي يمكنها تخزين الطاقة لمركبة فضائية لاستخدامها لاحقًا. صُممت بطاريات الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية لتكون قاسية نظراً للبيئات القاسية التي ستعمل بها في الفضاء وعلى أسطح العوالم الأخرى.
في ظل وجود ضوء الشمس، تقوم الطاقة الكهربائية التي تولدها الألواح الشمسية بشحن البطاريات على متن القمر الصناعي. عندما يكون القمر الصناعي بعيدًا عن ضوء الشمس، على سبيل المثال في الكسوف ، أي في ظل الأرض، فإن هذه البطاريات الموجودة على متنها تضمن استمرار الطاقة للمركبة الفضائية.
والجدير بالذكر بأن بطاريات تخزين الطاقة المستخدمة في الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية تحتاج أيضًا إلى إعادة شحنها عدة مرات. بمرور الوقت، ابتكر علماء ناسا طرقًا لتحسين هذه البطاريات، بحيث يمكنهم الآن تخزين المزيد من الطاقة بأحجام بطاريات أصغر وتدوم لفترة أطول.
الطاقة من الذرات
إن كل شيء نعرفه في الكون يتكون من ذرات، حيث أن الذرة هي لبنة البناء الصغيرة للمواد. يجب أن تخزن الذرات الكثير من الطاقة لتلتصق ببعضها البعض، لكن تعد بعض الذرات والتي تسمى بالنظائر المشعة غير مستقرة وتبدأ في الانهيار، عندما تتفكك الذرات، فإنها تطلق الطاقة على شكل حرارة.
يستخدم نظام طاقة النظائر المشعة فرق درجة الحرارة بين الحرارة من الذرات غير المستقرة وبرودة الفضاء لإنتاج الكهرباء. استخدمت ناسا هذا النوع من النظام لتشغيل العديد من المهام. على سبيل المثال، قامت بتشغيل بعثات إلى زحل وبلوتو وحتى المركبات الفضائية التي سافرت إلى الفضاء بين النجوم ويوفر هذا النوع من أنظمة الطاقة أيضًا الطاقة لمركبة كيوريوسيتي على المريخ.
تنتج أنظمة النظائر المشعة الطاقة لفترة طويلة جدًا، حتى في البيئات القاسية. في الواقع، تستخدم مركبتا فوييجر التابعة لناسا هذا النوع من الطاقة، حيث أنهم سافروا أبعد من أي جسم آخر من صنع الإنسان وما زالوا يرسلون المعلومات بعد أكثر من 40 عامًا في الفضاء!
