Trình diễn năng lượng mặt trời không gian (SSPD-1), một nguyên mẫu được phóng lên quỹ đạo vào tháng 1, đã trình diễn thành công việc truyền năng lượng không dây trong không gian và truyền năng lượng có thể phát hiện được tới Trái đất. Tín dụng: Caltech
Nguyên mẫu năng lượng mặt trời không gian, SSPD-1, đã đạt được khả năng truyền năng lượng không dây trong không gian và truyền năng lượng tới Trái đất. Nguyên mẫu, bao gồm MAPLE, một máy phát vi sóng nhẹ linh hoạt, xác nhận tính khả thi của năng lượng mặt trời không gian, có thể cung cấp năng lượng dồi dào và đáng tin cậy trên toàn cầu mà không cần cơ sở hạ tầng truyền tải trên mặt đất.
Một nguyên mẫu năng lượng mặt trời không gian đã được phóng lên quỹ đạo vào tháng 1 đang hoạt động và đã chứng tỏ khả năng truyền năng lượng không dây trong không gian và lần đầu tiên truyền năng lượng có thể phát hiện được tới Trái đất.
Truyền năng lượng không dây đã được MAPLE chứng minh, một trong ba công nghệ chính đang được thử nghiệm bởi Trình diễn năng lượng mặt trời không gian (SSPD-1), nguyên mẫu đầu tiên được đưa lên không gian từ Dự án năng lượng mặt trời không gian (SSPP) của Caltech. SSPP nhằm mục đích thu hoạch năng lượng mặt trời trong không gian và truyền nó tới bề mặt Trái đất.
Nguyên mẫu SSPD-1 bao gồm Mảng vi sóng dành cho Thí nghiệm quỹ đạo thấp truyền năng lượng (MAPLE), sử dụng các máy phát công suất vi sóng nhẹ linh hoạt để truyền năng lượng đến các vị trí mong muốn. Hoạt động thành công của MAPLE trong không gian xác nhận tính khả thi của năng lượng mặt trời không gian, nhằm mục đích thu năng lượng mặt trời trong không gian và truyền nó đến bề mặt Trái đất. Tín dụng: Caltech
MAPLE, viết tắt của Mảng vi sóng dành cho Thí nghiệm quỹ đạo thấp truyền điện và là một trong ba thí nghiệm chính trong SSPD-1, bao gồm một loạt các máy phát công suất vi sóng nhẹ linh hoạt được điều khiển bởi các chip điện tử tùy chỉnh được chế tạo bằng công nghệ silicon chi phí thấp . Nó sử dụng dãy máy phát để truyền năng lượng đến các vị trí mong muốn. Để SSPP khả thi, các mảng truyền năng lượng sẽ cần phải nhẹ để giảm thiểu lượng nhiên liệu cần thiết để đưa chúng lên vũ trụ, linh hoạt để chúng có thể gấp lại thành một gói có thể vận chuyển bằng tên lửa và công nghệ chi phí thấp. tổng thể.
MAPLE được phát triển bởi nhóm Caltech do Ali Hajimiri, Giáo sư Kỹ thuật Điện và Kỹ thuật Y tế Bren, đồng thời là đồng giám đốc của SSPP, đứng đầu.
Hajimiri cho biết: “Qua các thử nghiệm đã thực hiện cho đến nay, chúng tôi đã nhận được xác nhận rằng MAPLE có thể truyền năng lượng thành công đến các máy thu trong không gian”. “Chúng tôi cũng có thể lập trình mảng để hướng năng lượng của nó về phía Trái đất mà chúng tôi đã phát hiện tại Caltech. Tất nhiên, chúng tôi đã thử nghiệm nó trên Trái đất, nhưng bây giờ chúng tôi biết rằng nó có thể sống sót sau chuyến du hành vào vũ trụ và hoạt động ở đó.”
Bằng cách sử dụng sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu giữa các máy phát riêng lẻ, một dãy máy phát điện có thể thay đổi trọng tâm và hướng của năng lượng mà nó phát ra—mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào. Mảng máy phát sử dụng các phần tử điều khiển thời gian chính xác để tập trung năng lượng một cách linh hoạt có chọn lọc vào vị trí mong muốn bằng cách sử dụng sự bổ sung mạch lạc của sóng điện từ. Điều này cho phép phần lớn năng lượng được truyền đến vị trí mong muốn và không đi đến nơi nào khác.
MAPLE có hai mảng máy thu riêng biệt nằm cách máy phát khoảng 1 foot để nhận năng lượng, chuyển đổi năng lượng thành dòng điện một chiều (DC) và sử dụng nó để thắp sáng một cặp đèn LED để thể hiện toàn bộ chuỗi truyền năng lượng không dây tại một thời điểm. khoảng cách trong không gian. MAPLE đã thử nghiệm điều này trong không gian bằng cách thắp sáng từng đèn LED riêng lẻ và chuyển đổi qua lại giữa chúng. Thí nghiệm không được niêm phong nên phải chịu môi trường khắc nghiệt của không gian, bao gồm sự dao động nhiệt độ rộng và bức xạ mặt trời mà một ngày nào đó các đơn vị SSPP quy mô lớn sẽ phải đối mặt.
“Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, chưa có ai từng chứng minh được khả năng truyền năng lượng không dây trong không gian ngay cả với những cấu trúc cứng nhắc đắt tiền. Chúng tôi đang làm điều đó với các cấu trúc nhẹ linh hoạt và bằng các mạch tích hợp của riêng chúng tôi. Đây là lần đầu tiên,” Hajimiri nói.
Ảnh từ không gian bên trong MAPLE, với mảng truyền ở bên phải và bộ thu ở bên trái. Tín dụng: SSPP
MAPLE cũng bao gồm một cửa sổ nhỏ mà qua đó mảng có thể truyền năng lượng. Năng lượng truyền này được phát hiện bởi một máy thu trên nóc Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Gordon và Betty Moore trong khuôn viên Caltech ở Pasadena. Tín hiệu nhận được xuất hiện vào thời gian và tần số dự kiến, đồng thời có sự thay đổi tần số phù hợp như dự đoán dựa trên hành trình của nó từ quỹ đạo.
Ngoài việc chứng minh rằng các máy phát điện có thể tồn tại sau vụ phóng (diễn ra vào ngày 3 tháng 1) và chuyến bay vào vũ trụ mà vẫn hoạt động, thí nghiệm đã cung cấp phản hồi hữu ích cho các kỹ sư SSPP. Các ăng-ten truyền tải điện được tập hợp thành nhóm 16, mỗi nhóm được điều khiển bởi một chip mạch tích hợp linh hoạt hoàn toàn tùy chỉnh và nhóm của Hajimiri hiện đang đánh giá hiệu suất của từng phần tử trong hệ thống bằng cách đánh giá mô hình nhiễu của các nhóm nhỏ hơn và đo lường sự khác biệt giữa các nhóm khác nhau. sự kết hợp. Quá trình tỉ mỉ—có thể mất tới sáu tháng để hoàn thành đầy đủ—sẽ cho phép nhóm phân loại những điểm bất thường và truy tìm chúng đến từng đơn vị riêng lẻ, cung cấp thông tin chi tiết cho thế hệ tiếp theo của hệ thống.
Phát hiện nguồn điện từ MAPLE trên mái phòng thí nghiệm Moore. Tín dụng: Ali Hajimiri
Năng lượng mặt trời không gian cung cấp một cách để khai thác nguồn năng lượng mặt trời thực tế không giới hạn ở ngoài không gian, nơi năng lượng luôn có sẵn mà không phải chịu các chu kỳ ngày và đêm, các mùa và mây che phủ—có khả năng mang lại năng lượng gấp 8 lần so với năng lượng mặt trời hiện tại. các tấm pin mặt trời ở bất kỳ vị trí nào trên bề mặt Trái đất. Khi được triển khai hoàn toàn, SSPP sẽ triển khai một chùm tàu vũ trụ mô-đun thu thập ánh sáng mặt trời, biến nó thành điện năng, sau đó chuyển đổi thành vi sóng để truyền không dây qua khoảng cách xa đến bất cứ nơi nào cần thiết—bao gồm cả những địa điểm hiện không có nguồn điện đáng tin cậy .
Sergio Pellegrino, Joyce và Kent Kresa, Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Hàng không Vũ trụ, đồng thời là đồng giám đốc cho biết: “Mảng truyền tải điện linh hoạt là điều cần thiết cho thiết kế hiện tại về tầm nhìn của Caltech về một chùm tấm pin mặt trời giống như cánh buồm sẽ mở ra khi chúng đạt đến quỹ đạo”. của SSPP.
Hajimiri nói: “Giống như cách Internet dân chủ hóa việc tiếp cận thông tin, chúng tôi hy vọng rằng việc truyền năng lượng không dây sẽ dân chủ hóa việc tiếp cận năng lượng”. “Không cần cơ sở hạ tầng truyền tải năng lượng trên mặt đất để nhận được nguồn điện này. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể gửi năng lượng đến những vùng sâu vùng xa và những khu vực bị tàn phá bởi chiến tranh hoặc thiên tai.”
SSPP bắt đầu hoạt động vào năm 2011 sau khi nhà từ thiện Donald Bren, chủ tịch Công ty Irvine và là thành viên trọn đời của Hội đồng Quản trị 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, vào năm 2011, Bren đã tiếp cận Jean-Lou Chameau, chủ tịch lúc bấy giờ của Caltech 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, cũng là ủy viên quản trị của Caltech, đã đồng ý quyên góp để tài trợ cho dự án. Khoản quyên góp đầu tiên cho Caltech (cuối cùng sẽ vượt quá 100 triệu USD để hỗ trợ cho dự án và trao tặng các chức danh giáo sư) được thực hiện thông qua Quỹ Donald Bren.
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”.
“Việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo, rất quan trọng cho tương lai thế giới, ngày nay bị hạn chế bởi những thách thức về lưu trữ và truyền tải năng lượng. Chiếu năng lượng mặt trời từ không gian là một giải pháp tao nhã đã tiến một bước gần hơn tới hiện thực hóa nhờ sự hào phóng và tầm nhìn xa của gia đình Brens,” Chủ tịch Caltech Thomas F. Rosenbaum cho biết. “Donald Bren đã đưa ra một thách thức kỹ thuật ghê gớm hứa hẹn mang lại lợi ích đáng kể cho nhân loại: một thế giới được cung cấp năng lượng tái tạo liên tục.”
Ngoài sự hỗ trợ nhận được từ Brens, Tập đoàn Northrop Grumman còn cung cấp cho Caltech 12,5 triệu USD trong ba năm thông qua thỏa thuận nghiên cứu được tài trợ từ năm 2014 đến năm 2017 nhằm hỗ trợ phát triển công nghệ và tiến bộ khoa học cho dự án.
Harry Atwater, Chủ tịch Lãnh đạo Phòng Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Otis Booth cho biết: “Việc trình diễn truyền năng lượng không dây trong không gian bằng cách sử dụng các cấu trúc nhẹ là một bước quan trọng hướng tới năng lượng mặt trời trong không gian và khả năng tiếp cận rộng rãi với nó trên toàn cầu”. Howard Hughes Giáo sư Vật lý Ứng dụng và Khoa học Vật liệu; Giám đốc Liên minh Ánh sáng mặt trời lỏng; và là một trong những nhà điều tra chính của dự án. “Ví dụ, các tấm pin mặt trời đã được sử dụng trong không gian để cung cấp năng lượng cho Trạm vũ trụ quốc tế, nhưng để phóng và triển khai các mảng đủ lớn để cung cấp năng lượng cho Trái đất, SSPP phải thiết kế và tạo ra các hệ thống truyền năng lượng mặt trời siêu nhẹ, rẻ tiền. , và linh hoạt.”
Các đơn vị SSPP riêng lẻ sẽ gấp lại thành các gói có thể tích khoảng 1 mét khối và sau đó mở ra thành các hình vuông phẳng có cạnh khoảng 50 mét, với pin mặt trời ở một mặt hướng về phía mặt trời và các bộ phát điện không dây ở phía bên kia hướng về Trái đất.
Một tàu vũ trụ Momentus Vigoride được phóng lên tên lửa SpaceX trong sứ mệnh Transporter-6 đã mang SSPD nặng 50 kg lên vũ trụ. Momentus đang cung cấp hỗ trợ tải trọng được lưu trữ liên tục cho Caltech, bao gồm cung cấp dữ liệu, thông tin liên lạc, chỉ huy và đo từ xa cũng như các tài nguyên để chụp ảnh tối ưu và chiếu sáng pin mặt trời. Toàn bộ bộ ba nguyên mẫu trong SSPD đã được hình dung, thiết kế, xây dựng và thử nghiệm bởi một nhóm gồm khoảng 35 cá nhân—giảng viên, tiến sĩ, nghiên cứu sinh và sinh viên đại học—trong các phòng thí nghiệm tại Caltech.
SSPD có hai thí nghiệm chính ngoài MAPLE: DOLCE (Thí nghiệm tổng hợp siêu nhẹ có thể triển khai trên quỹ đạo), một cấu trúc có kích thước 6 feet x 6 feet thể hiện kiến trúc, sơ đồ đóng gói và cơ chế triển khai của tàu vũ trụ mô-đun; và ALBA , một bộ sưu tập gồm 32 loại tế bào quang điện khác nhau để cho phép đánh giá các loại tế bào hoạt động hiệu quả nhất trong môi trường khắc nghiệt của không gian. Các thử nghiệm ALBA về pin mặt trời đang diễn ra và SSPP vẫn chưa cố gắng triển khai DOLCE tính đến thời điểm báo chí. Kết quả từ những thí nghiệm đó được mong đợi trong những tháng tới.
