دور الألواح الشمسية في الأقمار الصناعية

تعتمد الأقمار الصناعية، التي تدور حول الأرض وتعمل ضمن النظام الشمسي الداخلي، عادةً على الألواح الشمسية الكهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد الطاقة الكهربائية من أشعة الشمس. بفضل قربها من الشمس، تتمكن هذه الألواح من إنتاج الكهرباء التي تستخدم لشحن البطاريات الموجودة في المركبة الفضائية. هذه البطاريات تضمن استمرار تشغيل المركبة حتى في حالة ابتعادها عن التعرض المباشر لضوء الشمس.

أهمية الألواح الشمسية في توليد الطاقة

تعتبر الألواح الشمسية وسيلة فعالة لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية ضرورية لتشغيل الأقمار الصناعية، مما يجعلها جزءًا أساسيًا في تصميم المركبات الفضائية. بزيادة مساحة الألواح الشمسية، تزداد كمية ضوء الشمس الملتقطة، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الكهربائية المنتجة.

يمكن للقمر الصناعي أو المركبة الفضائية أن تحتوي على لوحة شمسية واحدة أو أكثر، وذلك وفقًا للاحتياجات الطاقوية والأبعاد الخاصة بها. وغالبًا ما تُعرف جميع الألواح الشمسية المستخدمة في هذا السياق باسم “المصفوفة الشمسية”.

تنتج هذه المصفوفات عادةً طاقة كهربائية تفوق احتياجات المركبة في الوقت ذاته، حيث يتم إستخدام نحو 60% من تلك الطاقة لشحن البطاريات أثناء تعرض المحطة الشمس المباشر.

ورغم ذلك، قد يكون بعضها أو جميع الألواح الشمسية في ظل الأرض أو في ظل أجزاء معينة من المحطة، مما يعني عدم قدرتها على جمع ضوء الشمس، وبالتالي الحاجة إلى البطاريات لضمان تشغيل المحطة حينما تكون بعيدة عن ضوء الشمس، وسنستعرض هذا الأمر بمزيد من التفصيل لاحقًا.

طرق إمداد الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية بالطاقة

واحدة من أكبر التحديات في استخدام الطاقة الشمسية لأغراض تشغيل الأقمار الصناعية هي ضعف ضوء الشمس في المناطق البعيدة في النظام الشمسي، مما يدفع إلى استخدام مولدات النظائر المشعة الكهروحرارية كمصادر بديلة للطاقة. ومع ذلك، تعد الطاقة الشمسية أقل فعالية للمركبات التي تبتعد عن الشمس.

علاوة على ذلك، قد تواجه المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية تحديات نتيجة الظروف الجوية للكواكب والفصول، بالإضافة إلى التعرض للإشعاعات القاسية، مما قد يمنعها من استكشاف البيئات المظلمة والغبارية، مثل الكهوف الموجودة على سطح القمر. لذا، قد تحتاج المركبة الفضائية إلى مصادر طاقة بديلة عند عدم امكانية الاعتماد على الطاقة الشمسية مباشرة.

الطاقة المخزنة في البطاريات

لذا، طور العلماء وسائل أخرى تمكّن المركبات الفضائية من الحصول على الطاقة اللازمة. من أبرز تلك الوسائل هي البطاريات التي يمكنها تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا. تم تصميم بطاريات الأقمار الصناعية لتحمل الظروف القاسية التي ستواجهها في الفضاء وعلى الأسطح الخارجية للعوالم الأخرى.

عند وجود ضوء الشمس، تقوم الألواح الشمسية بشحن هذه البطاريات، مما يضمن وجود طاقة كافية للمركبة عندما تكون خارج نطاق ضوء الشمس، مثلما يحدث خلال الكسوف أو في ظل الأرض.

الجدير بالذكر أن بطاريات التخزين المستخدمة تحتاج أيضًا إلى إعادة شحنها بشكل دوري. وبمرور الوقت، تمكن علماء ناسا من تطوير تقنيات تحسن كفاءة عمل هذه البطاريات، مما يسمح بتخزين كميات أكبر من الطاقة في أحجام أصغر، مع زيادة مدة عملها.

الطاقة من النظائر المشعة

يتكون الكون بأسره من ذرات، والتي تعتبر الوحدات الأساسية لبناء المواد. حيث تحتوي الذرات على قدر كبير من الطاقة التي تربط بينها، ولكن بعض النظائر المشعة تكون غير مستقرة وتبدأ في الانهيار. عملية تفكك هذه الذرات تطلق الطاقة على شكل حرارة.

يعتمد نظام الطاقة النظائري المشع على اختلاف درجات الحرارة بين حرارة الذرات غير المستقرة وبرودة الفضاء لإنتاج الكهرباء. وقد استخدمت وكالة ناسا هذا النظام في العديد من البعثات، بما في ذلك بعثات إلى كوكبي زحل وبلوتو، بالإضافة إلى مركبة كيوريوسيتي على المريخ.

تتميز أنظمة النظائر المشعة بأنها قادرة على إنتاج الطاقة لفترات طويلة حتى في الظروف القاسية. في الواقع، تطمح مركبتا فوييجر التابعتان لناسا إلى استخدام هذا النوع من الطاقة، حيث سافرتا لأبعد من كل الكائنات البشرية وما زالت تواصل إرسال البيانات منذ أكثر من 40 عامًا في الفضاء!