Dự án điện mặt trời vũ trụ kết thúc sứ mệnh đầu tiên trong không gian với những thành công và bài học

Cấu trúc DOLCE được triển khai hoàn toàn trên Bắc Cực thuộc Canada vào ngày 29 tháng 9 năm 2023. Các thanh long và battens TRAC của cấu trúc DOLCE có thể nhìn thấy rõ ràng phía trên lớp băng Bắc Cực. Các đầu nối batten bằng sợi thủy tinh đang tỏa sáng dưới ánh mặt trời (phần bên phải). Nguồn: Dự án Năng lượng Mặt trời Không gian/Caltech

Giường thử nghiệm trên tàu vũ trụ đã chứng tỏ khả năng truyền năng lượng không dây trong không gian; nó đo lường hiệu suất, độ bền và chức năng của nhiều loại pin mặt trời khác nhau trong không gian; và đã đưa ra một cuộc thử nghiệm thực tế về thiết kế một cấu trúc nhẹ có thể triển khai để cung cấp và giữ các pin mặt trời cũng như máy phát điện nói trên.

Giờ đây, khi sứ mệnh của SSPD-1 trong không gian đã kết thúc, các kỹ sư trên Trái đất đang ăn mừng những thành công của bệ thử nghiệm và rút ra những bài học quan trọng sẽ giúp vạch ra tương lai của năng lượng mặt trời trong không gian.

Chủ tịch Caltech Thomas F. Rosenbaum, Chủ tịch Tổng thống Sonja và William Davidow cho biết: "Năng lượng mặt trời được chiếu từ không gian với tốc độ thương mại, chiếu sáng toàn cầu, vẫn là một triển vọng trong tương lai. Nhưng sứ mệnh quan trọng này đã chứng minh rằng đó phải là một tương lai có thể đạt được". giáo sư vật lý.

SSPD-1 đánh dấu một cột mốc quan trọng trong một dự án đã được thực hiện trong hơn một thập kỷ, thu hút sự chú ý của quốc tế như một bước tiến hữu hình và nổi bật đối với một công nghệ đang được nhiều quốc gia theo đuổi. Nó được phóng vào ngày 3 tháng 1 năm 2023, trên tàu vũ trụ Momentus Vigoride như một phần của Dự án Năng lượng Mặt trời Không gian Caltech (SSPP), do các giáo sư Harry Atwater, Ali Hajimiri và Sergio Pellegrino dẫn đầu. Nó bao gồm ba thử nghiệm chính, mỗi thử nghiệm một công nghệ khác nhau:

• DOLCE (Thí nghiệm tổng hợp siêu nhẹ có thể triển khai trên quỹ đạo): một cấu trúc có kích thước 1,8 mét x 1,8 mét thể hiện kiến ​​trúc mới, sơ đồ đóng gói và cơ chế triển khai của tàu vũ trụ mô-đun có thể mở rộng mà cuối cùng sẽ tạo thành một chòm sao có quy mô hàng km để phục vụ như một trạm năng lượng.
• ALBA: một tập hợp gồm 32 loại tế bào quang điện (PV) khác nhau để cho phép đánh giá các loại tế bào có thể chịu được môi trường không gian khắc nghiệt.
• MAPLE (Mảng vi sóng để thử nghiệm truyền điện quỹ đạo thấp): một dãy các máy phát công suất vi sóng nhẹ, linh hoạt dựa trên các mạch tích hợp tùy chỉnh với khả năng điều khiển thời gian chính xác để tập trung năng lượng có chọn lọc vào hai máy thu khác nhau để chứng minh việc truyền tải điện không dây ở khoảng cách xa trong không gian .

Atwater, Chủ tịch Lãnh đạo Phòng Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Otis Booth, cho biết: "Không phải là chúng ta không có các tấm pin mặt trời trong không gian. Các tấm pin mặt trời được sử dụng để cung cấp năng lượng cho Trạm Vũ trụ Quốc tế chẳng hạn". Howard Hughes Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu; giám đốc của Liquid Sunlight Alliance; và là một trong những điều tra viên chính của SSPP.

"Nhưng để khởi động và triển khai các mảng đủ lớn nhằm cung cấp năng lượng có ý nghĩa cho Trái đất, SSPP phải thiết kế và tạo ra các hệ thống truyền năng lượng mặt trời siêu nhẹ, rẻ, linh hoạt và có thể triển khai."

DOLCE: Triển khai cấu trúc

Mặc dù tất cả các thử nghiệm trên tàu SSPD-1 cuối cùng đều thành công nhưng không phải mọi thứ đều diễn ra theo đúng kế hoạch. Tuy nhiên, đối với các nhà khoa học và kỹ sư dẫn đầu nỗ lực này, đó chính xác là vấn đề. Môi trường thử nghiệm đích thực cho SSPD-1 đã tạo cơ hội để đánh giá từng thành phần và những hiểu biết sâu sắc thu thập được sẽ có tác động sâu sắc đến các thiết kế mảng năng lượng mặt trời không gian trong tương lai.

Ví dụ, trong quá trình triển khai DOLCE—dự kiến ​​là một quá trình kéo dài từ ba đến bốn ngày—một trong những dây nối các thanh chéo với các góc của cấu trúc, vốn cho phép nó bung ra, đã bị đứt. Điều này đã làm cản trở quá trình triển khai và làm hỏng kết nối giữa một trong các cần cẩu và cấu trúc.

Khi đồng hồ đang tích tắc, nhóm đã sử dụng camera trên DOLCE cũng như mô hình hoạt động quy mô đầy đủ của DOLCE trong phòng thí nghiệm của Pellegrino để xác định và cố gắng giải quyết vấn đề. Họ xác định rằng hệ thống bị hư hỏng sẽ triển khai tốt hơn khi được làm ấm trực tiếp bởi mặt trời và cả năng lượng mặt trời phản chiếu từ Trái đất.

Khi các cần chéo đã được triển khai và cấu trúc được mở hoàn toàn, một vấn đề phức tạp mới nảy sinh: Một phần của cấu trúc bị kẹt dưới cơ chế triển khai, một điều chưa từng thấy trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Sử dụng hình ảnh từ camera DOLCE, nhóm nghiên cứu có thể tái tạo loại nhiễu này trong phòng thí nghiệm và phát triển chiến lược khắc phục nó. Cuối cùng, Pellegrino và nhóm của ông đã hoàn thành việc triển khai thông qua chuyển động của các bộ truyền động của DOLCE làm rung toàn bộ cấu trúc và làm việc không bị kẹt. Pellegrino cho biết, bài học kinh nghiệm sẽ cung cấp thông tin cho cơ chế triển khai tiếp theo.

Giáo sư Pellegrino, Joyce và Kent Kresa về Kỹ thuật Xây dựng và Hàng không vũ trụ và đồng giám đốc SSPP cho biết: “Thử nghiệm không gian đã chứng minh tính vững chắc của khái niệm cơ bản, cho phép chúng tôi triển khai thành công bất chấp hai điểm bất thường”.

"Quy trình khắc phục sự cố đã mang lại cho chúng tôi nhiều hiểu biết mới và giúp chúng tôi tập trung cao độ vào mối liên hệ giữa cấu trúc mô-đun và các thanh cần chéo. Chúng tôi đã phát triển những cách mới để chống lại tác động của trọng lượng bản thân trong các cấu trúc có thể triển khai siêu nhẹ."

ALBA: Thu hoạch năng lượng mặt trời

Trong khi đó, hiệu suất quang điện của ba loại pin mặt trời cấp nghiên cứu siêu nhẹ hoàn toàn mới, chưa có loại nào từng được thử nghiệm trên quỹ đạo trước đây, được đo trong hơn 240 ngày hoạt động bởi nhóm ALBA, do Atwater dẫn đầu.

Một số pin mặt trời được chế tạo tùy chỉnh bằng cách sử dụng các cơ sở trong phòng thí nghiệm SSPP và Viện khoa học nano Kavli (KNI) tại Caltech, mang đến cho nhóm một phương pháp nhanh chóng và đáng tin cậy để nhanh chóng chuẩn bị các thiết bị tiên tiến nhỏ sẵn sàng cho chuyến bay.

Trong công việc tương lai, nhóm nghiên cứu dự định thử nghiệm các tế bào diện tích lớn được chế tạo bằng các phương pháp sản xuất rẻ tiền có khả năng mở rộng cao, có thể giảm đáng kể cả khối lượng lẫn giá thành của các tế bào năng lượng mặt trời không gian này.

Pin mặt trời vũ trụ hiện có trên thị trường thường đắt hơn 100 lần so với pin mặt trời và mô-đun được triển khai rộng rãi trên Trái đất. Điều này là do quá trình sản xuất chúng sử dụng một bước tốn kém gọi là tăng trưởng epiticular, trong đó màng tinh thể được phát triển theo một hướng cụ thể trên chất nền.

Nhóm pin mặt trời SSPP đã tạo ra các tế bào không gian không trục có chi phí thấp bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất rẻ tiền và có thể mở rộng giống như các quy trình được sử dụng để chế tạo pin mặt trời silicon ngày nay. Các quy trình này sử dụng các vật liệu bán dẫn phức hợp hiệu suất cao như gallium arsenide thường được sử dụng để chế tạo các tế bào không gian hiệu suất cao ngày nay.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm tế bào perovskite, loại tế bào này đã thu hút sự chú ý của các nhà sản xuất năng lượng mặt trời vì chúng rẻ và linh hoạt, đồng thời là bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang có tiềm năng được triển khai trong các tấm polyme dẻo lớn.

Trong suốt vòng đời của ALBA, nhóm nghiên cứu đã thu thập đủ dữ liệu để có thể quan sát những thay đổi trong hoạt động của từng tế bào nhằm phản ứng với các sự kiện thời tiết trong không gian như ánh sáng mặt trời và hoạt động địa từ. Ví dụ, họ đã tìm thấy sự biến đổi rất lớn trong hiệu suất của các tế bào perovskite, trong khi các tế bào gali arsenide chi phí thấp luôn hoạt động tốt về tổng thể.

"SSPP đã cho chúng tôi một cơ hội duy nhất để đưa pin mặt trời trực tiếp từ phòng thí nghiệm tại Caltech vào quỹ đạo, đẩy nhanh quá trình thử nghiệm trong không gian mà thông thường phải mất nhiều năm mới thực hiện được. Cách tiếp cận này đã rút ngắn đáng kể thời gian của chu kỳ đổi mới trong không gian công nghệ năng lượng mặt trời," Atwater nói.

MAPLE: Truyền năng lượng không dây trong không gian

Cuối cùng, như đã công bố vào tháng 6, MAPLE đã chứng minh khả năng truyền tải điện không dây trong không gian và hướng chùm tia tới Trái đất—lần đầu tiên trên thực địa. Các thử nghiệm của MAPLE tiếp tục trong tám tháng sau các cuộc trình diễn đầu tiên và trong công việc tiếp theo này, nhóm đã đẩy MAPLE đến giới hạn của nó để bộc lộ và hiểu rõ những điểm yếu tiềm ẩn của nó để có thể áp dụng các bài học kinh nghiệm vào thiết kế trong tương lai.

Nhóm đã so sánh hiệu suất của mảng đầu trong nhiệm vụ với hiệu suất của nó khi kết thúc nhiệm vụ, khi MAPLE bị căng thẳng có chủ ý. Đã quan sát thấy sự sụt giảm trong tổng công suất truyền tải. Trở lại phòng thí nghiệm trên Trái đất, nhóm đã tái tạo lại sự sụt giảm điện năng, cho rằng đó là do sự xuống cấp của một số phần tử truyền riêng lẻ trong mảng cũng như một số tương tác điện-nhiệt phức tạp trong hệ thống.

Hajimiri, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Kỹ thuật Y tế Bren và đồng giám đốc SSPP cho biết: “Những quan sát này đã dẫn đến những sửa đổi trong thiết kế của các thành phần khác nhau của MAPLE để tối đa hóa hiệu suất của nó trong thời gian dài”. "Thử nghiệm trong không gian với SSPD-1 đã giúp chúng tôi nhìn rõ hơn các điểm mù và tự tin hơn vào khả năng của mình."

SSPP: Tiến về phía trước

SSPP bắt đầu sau khi nhà từ thiện Donald Bren, chủ tịch Công ty Irvine và là thành viên của cộng đồng Caltech, lần đầu tiên biết đến tiềm năng sản xuất năng lượng mặt trời trên không gian khi còn trẻ trong một bài báo trên tạp chí Popular Science.

Bị thu hút bởi tiềm năng năng lượng mặt trời trong không gian, Bren đã tiếp cận Jean-Lou Chameau, chủ tịch lúc bấy giờ của Caltech vào năm 2011 để thảo luận về việc tạo ra một dự án nghiên cứu năng lượng mặt trời trên không gian. Trong những năm tiếp theo, Bren và vợ ông, Brigitte Bren, một ủy viên của Caltech, đã đồng ý thực hiện một loạt các khoản quyên góp (tổng cam kết lên tới hơn 100 triệu USD) thông qua Quỹ Donald Bren để tài trợ cho dự án và tài trợ một số khoản tài trợ. chức giáo sư Caltech.

Donald Bren nói: “Sự làm việc chăm chỉ và cống hiến của các nhà khoa học xuất sắc tại Caltech đã nâng cao ước mơ của chúng tôi là cung cấp cho thế giới nguồn năng lượng dồi dào, đáng tin cậy và giá cả phải chăng vì lợi ích của toàn nhân loại”.

Ngoài sự hỗ trợ nhận được từ gia đình Brens, Tập đoàn Northrop Grumman đã cung cấp cho Caltech 12,5 triệu USD từ năm 2014 đến năm 2017 thông qua một thỏa thuận nghiên cứu được tài trợ nhằm hỗ trợ phát triển công nghệ và nâng cao khoa học của dự án.

Khi SSPD-1 kết thúc sứ mệnh của mình, bệ thử nghiệm đã ngừng liên lạc với Trái đất vào ngày 11 tháng 11. Phương tiện Vigoride-5 chứa SSPD-1 sẽ vẫn ở trên quỹ đạo để hỗ trợ tiếp tục thử nghiệm và trình diễn động cơ Bộ đẩy nhiệt điện vi sóng của phương tiện sử dụng nước cất như một chất đẩy. Cuối cùng nó sẽ ghi nợ và tan rã trong bầu khí quyển Trái đất.

Trong khi đó, nhóm SSPP tiếp tục làm việc trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu phản hồi từ SSPD-1 để xác định các thách thức nghiên cứu cơ bản tiếp theo mà dự án cần giải quyết.