California Institute of Technology
Publicação e créditos
Há um ano, o Space Solar Power Demonstrador (SSPD-1) da Caltech foi lançado no espaço para demonstrar e testar três inovações tecnológicas que estão entre as necessárias para tornar a energia solar espacial uma realidade.
O teste espacial demonstrou a capacidade de transmitir energia sem fio no espaço; Mediu a eficiência, a durabilidade e a função de uma variedade de diferentes tipos de células solares no espaço; e fez um estudo do mundo real do design de uma estrutura leve e implantável para entregar e manter as células solares e transmissores de energia acima mencionados.
Agora, com a missão do SSPD-1 no espaço concluída, os engenheiros da Terra estão comemorando os sucessos do teste e aprendendo lições importantes que ajudarão a traçar o futuro da energia solar espacial.
"A energia solar sorriu do espaço a taxas comerciais, iluminando o mundo, ainda é uma perspectiva futura. Mas essa missão crítica demonstrou que deveria ser um futuro alcançável", diz o presidente da Caltech, Thomas F. Rosenbaum, o presidente presidencial de Sonja e William Davidow e Professor de Física.
O SSPD-1 representa um marco importante em um projeto que está em andamento há mais de uma década, atraindo a atenção internacional como um passo tangível e de alto perfil para uma tecnologia perseguida por várias nações. Foi lançado em 3 de janeiro de 2023, a bordo de uma espaçonave Momentus Vigoride como parte do Projeto de Energia Solar Espacial da Caltech (SSPP), liderada pelos professores Harry Atwater, Ali Hajimiri e Sergio Pellegrino. Consiste em três experimentos principais, cada um testando uma tecnologia diferente:
DOLCE : (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment): uma estrutura que mede 1,8 metros por 1,8 metros que demonstra a nova arquitetura, esquema de embalagem e mecanismos de implantação da espaçonave modular escalonável que eventualmente compõem uma constelação de escala de quilômetro para servir como uma estação de energia.
Alba: Uma coleção de 32 tipos diferentes de células fotovoltaicas (PV) para permitir uma avaliação dos tipos de células que podem suportar ambientes espaciais punindo.
Maple : (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) : uma variedade de transmissores flexíveis e leves de energia de microondas com base em circuitos integrados personalizados com controle de tempo preciso para focar a energia seletivamente em dois receptores diferentes para demonstrar transmissão de energia sem fio na distância no espaço .
"Não é que ainda não tenhamos painéis solares no espaço. Os painéis solares são usados para alimentar a Estação Espacial Internacional, por exemplo", diz Atwater, Otis Booth Liderança Presidente da Divisão de Engenharia e Ciência Aplicada; Howard Hughes Professor de Física Aplicada e Ciência dos Materiais; Diretor da Liquid Sunlight Alliance; e um dos principais pesquisadores do SSPP. "Mas, para lançar e implantar matrizes grandes o suficiente para fornecer poder significativo à Terra, o SSPP precisa projetar e criar sistemas solares de transferência de energia que são de peso ultra-leve, barato, flexível .
Dolce: Deploying the Structure
Embora todos os experimentos a bordo do SSPD-1 tenham sido bem-sucedidos, nem tudo correu conforme o planejado. Para os cientistas e engenheiros liderando esse esforço, no entanto, esse era exatamente o ponto. O ambiente de teste autêntico para o SSPD-1 proporcionou uma oportunidade de avaliar cada um dos componentes e os insights obtidos terão um impacto profundo nos futuros projetos de matriz de energia solar espacial.
Por exemplo, durante a implantação do DOLCE- que pretendia ser um processo de três a quatro dias- um dos fios que conectava as barreiras diagonais aos cantos da estrutura, que o permitia se desenrolar, ficou preso. Isso parou a implantação e danificou a conexão entre um dos booms e a estrutura.
Com o relógio, a equipe usou câmeras no DOLCE, bem como um modelo de trabalho em grande escala do DOLCE no laboratório de Pellegrino para identificar e tentar resolver o problema. Eles estabeleceram que o sistema danificado implantaria melhor quando aquecido diretamente pelo sol e também pela energia solar refletida na Terra.
Depois que os booms diagonais foram implantados e a estrutura estava totalmente desenrolada, surgiu uma nova complicação: parte da estrutura ficou presa sob o mecanismo de implantação, algo que nunca havia sido visto nos testes de laboratório. Usando imagens das câmeras DOLCE, a equipe conseguiu reproduzir esse tipo de bloqueio no laboratório e desenvolveu uma estratégia para corrigi -la. Por fim, Pellegrino e sua equipe concluíram a implantação através de um movimento dos atuadores de Dolce que vibravam toda a estrutura e trabalharam livremente. As lições da experiência, diz Pellegrino, informarão o próximo mecanismo de implantação.
"O teste espacial demonstrou a robustez do conceito básico, que nos permitiu obter uma implantação bem-sucedida, apesar de duas anomalias", diz Pellegrino, Joyce e Kent Kresa Professor de Aeroespacial e Engenharia Civil e co-diretor da SSPP. "O processo de solução de problemas nos forneceu muitas novas idéias e nos concentrou bastante na conexão entre nossa estrutura modular e os booms diagonais. Desenvolvemos novas maneiras de combater os efeitos do peso próprio nas estruturas ultraleves".
Alba: Harvesting Solar Energy
Enquanto isso, o desempenho fotovoltaico de três classes inteiramente novas de células solares ultraleves de pesquisa, nenhuma das quais já havia sido testada em órbita antes, foram medidas ao longo de mais de 240 dias de operação pela equipe Alba, liderada por Atwater. Algumas das células solares foram fabricadas sob medida usando instalações nos laboratórios SSPP e no Kavli Nanocience Institute (KNI) na Caltech, o que deu à equipe uma maneira confiável e rápida de obter pequenos dispositivos de ponta rapidamente prontos para voar. Em trabalhos futuros, a equipe planeja testar células de grandes áreas fabricadas usando métodos de fabricação baratos altamente escaláveis que podem reduzir drasticamente a massa e o custo dessas células solares espaciais.
As células solares espaciais atualmente disponíveis comercialmente são tipicamente 100 vezes mais caras que as células solares e módulos amplamente implantados na Terra. Isso ocorre porque a fabricação deles emprega uma etapa cara chamada crescimento epitaxial, no qual os filmes cristalinos são cultivados em uma orientação específica em um substrato. A equipe de células solares do SSPP alcançou células espaciais nãopitaxiais de baixo custo, usando processos de produção baratos e escaláveis, como os usados para fazer as células solares de silício de hoje. Esses processos empregam materiais semicondutores compostos de alto desempenho, como o arseneto de gálio que normalmente são usados para criar células espaciais de alta eficiência hoje.
A equipe também testou células de perovskita, que capturaram a atenção dos fabricantes de energia solar porque são baratos e flexíveis, e os concentradores solares luminescentes com potencial a serem implantados em grandes folhas de polímeros flexíveis.
Ao longo da vida de Alba, a equipe coletou dados suficientes para poder observar mudanças na operação de células individuais em resposta a eventos climáticos espaciais, como explosões solares e atividade geomagnética. Eles descobriram, por exemplo, uma enorme variabilidade no desempenho das células de perovskita, enquanto as células de arsento de gálio de baixo custo tiveram um bom desempenho no geral.
"O SSPP nos deu uma oportunidade única de levar células solares diretamente do laboratório da Caltech em órbita, acelerando os testes no espaço que normalmente levariam anos para serem feitos. Esse tipo de abordagem reduziu drasticamente o tempo de inovação do ciclo de inovação para Tecnologia solar ", diz Atwater.
Maple: Wireless Power Transfer in Space
Finalmente, conforme anunciado em junho, a Maple demonstrou sua capacidade de transmitir energia sem fio no espaço e direcionar um feixe para a Terra - um primeiro no campo. Os experimentos de bordo continuaram por oito meses após as demonstrações iniciais e, nesse trabalho subsequente, a equipe pressionou o Maple aos seus limites para expor e entender suas possíveis fraquezas, para que as lições aprendidas pudessem ser aplicadas ao design futuro.
Uma vista de dentro do bordo, que demonstrará transmissão de energia sem fio no espaço. Este ângulo mostra a matriz de transmissores flexíveis e leves de energia de microondas (lado direito) e os dois receptores para os quais eles transmitirão energia (lado esquerdo). O receptor superior está recebendo energia nesta imagem e é iluminado por essa energia transmitida sem fio.
A equipe comparou o desempenho da matriz no início da missão com seu desempenho no final da missão, quando Maple foi intencionalmente estressado. Foi observada uma queda na potência total transmitida. De volta ao laboratório da Terra, o grupo reproduziu a queda de energia, atribuindo -a à degradação de alguns elementos de transmissão individuais na matriz, bem como algumas interações elétricas -térmicas complexas no sistema.
"Essas observações já levaram a revisões no projeto de vários elementos do Maple para maximizar seu desempenho em longos períodos de tempo", diz Hajimiri, professor de engenharia elétrica e engenharia elétrica e co-diretor da SSPP. "O teste no espaço com o SSPD-1 nos deu mais visibilidade em nossos pontos cegos e mais confiança em nossas habilidades".
SSPP: Avançando
O SSPP começou depois que o filantropo Donald Bren, presidente da Irvine Company e membro vitalício da comunidade Caltech, aprendeu sobre o potencial de fabricação de energia solar espacial quando jovem em um artigo da Popular Science Magazine. Intrigada com o potencial de energia solar espacial, Bren abordou o então presidente da Caltech, Jean-Lou Chameau, em 2011, para discutir a criação de um projeto de pesquisa de energia solar espacial. Nos anos seguintes, Bren e sua esposa, Brigitte Bren, um administrador da Caltech, concordaram em fazer uma série de doações (produzindo um compromisso total de mais de US $ 100 milhões) através da Fundação Donald Bren para financiar o projeto e dotar vários Professores de Caltech.
"O trabalho duro e a dedicação dos cientistas brilhantes da Caltech avançaram nosso sonho de fornecer ao mundo poder abundante, confiável e acessível para o benefício de toda a humanidade", diz Donald Bren.
Além do apoio recebido da Brens, a Northrop Grumman Corporation forneceu à Caltech US $ 12,5 milhões entre 2014 e 2017 através de um contrato de pesquisa patrocinado que ajudou o desenvolvimento de tecnologia e avançou a ciência do projeto.
Com o SSPD-1 encerrando sua missão, o leque de teste interrompeu as comunicações com a Terra em 11 de novembro. O veículo Vigoride-5 que hospedou o SSPD-1 permanecerá em órbita para apoiar os testes contínuos e a demonstração dos motores de propulsor eletrotérmica de microondas do veículo que usam água destilada como um propulsor. Em última análise, ele se desintegrará na atmosfera da Terra.
Enquanto isso, a equipe do SSPP continua trabalhando no laboratório, estudando o feedback do SSPD-1 para identificar o próximo conjunto de desafios fundamentais de pesquisa para o projeto enfrentar.
ESCRITO POR
Robert Perkins
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