النظام الكهربائي لمحطة الفضاء الدولية

يُعدّ النظام الكهربائي لمحطة الفضاء الدولية جزءًا أساسيًا منها، إذ يُتيح تشغيل أنظمة دعم الحياة الحيوية ، وضمان التشغيل الآمن للمحطة، وتشغيل المعدات العلمية، فضلًا عن تحسين راحة الطاقم. يستخدم النظام الكهربائي لمحطة الفضاء الدولية الخلايا الشمسية لتحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء . تُجمّع أعداد كبيرة من الخلايا في مصفوفات لإنتاج مستويات طاقة عالية. تُعرف هذه الطريقة في تسخير الطاقة الشمسية باسم الخلايا الكهروضوئية .

تُؤدي عملية جمع ضوء الشمس وتحويله إلى كهرباء، ثم إدارة هذه الكهرباء وتوزيعها، إلى تراكم حرارة زائدة قد تُلحق الضرر بمعدات المركبة الفضائية. ولضمان التشغيل الموثوق لمحطة الفضاء الدولية في مدارها، لا بد من التخلص من هذه الحرارة. يستخدم نظام الطاقة في محطة الفضاء الدولية مشعات لتشتيت الحرارة بعيدًا عن المركبة الفضائية. هذه المشعات محجوبة عن أشعة الشمس وموجهة نحو الفضاء الخارجي البارد.

يتكون كل جناح من أجنحة الألواح الشمسية لمحطة الفضاء الدولية (يُشار إليه اختصارًا بـ "SAW") من "بطانيتين" قابلتين للسحب من الخلايا الشمسية، بينهما عمود. يُعد كل جناح الأكبر على الإطلاق الذي تم نشره في الفضاء، إذ يزن أكثر من 1088 كيلوغرامًا (2399 رطلًا) ويستخدم ما يقرب من 33000 لوحة شمسية، يبلغ قياس كل منها 8 سنتيمترات مربعة الشكل وتحتوي على 4100 ثنائي ضوئي. عند فرده بالكامل، يبلغ طول كل جناح 35 مترًا (115 قدمًا) وعرضه 12 مترًا (39 قدمًا) . يستطيع كل جناح من أجنحة الألواح الشمسية توليد ما يقرب من 31 كيلوواط (kW) من طاقة التيار المستمر. ^{[ 1 ]} عند طيه، يُطوى كل جناح داخل صندوق غطاء الألواح الشمسية الذي يبلغ ارتفاعه 51 سنتيمترًا (20 بوصة) وطوله 4.57 مترًا (15 قدمًا) . ^{[ 2 ]}    

إجمالاً، يمكن لأجنحة المصفوفة الشمسية الثمانية ^{[ 3 ]} توليد حوالي 240 كيلوواط في ضوء الشمس المباشر، أو حوالي 84 إلى 120 كيلوواط كمتوسط ​​طاقة (بالتناوب بين ضوء الشمس والظل). ^{[ 4 ]}

تتتبع الألواح الشمسية عادةً حركة الشمس، حيث يُستخدم محور الدوران "ألفا " كدوران أساسي لمتابعة الشمس أثناء دوران المحطة الفضائية حول الأرض، بينما يُستخدم محور الدوران "بيتا " لضبط زاوية مدار المحطة الفضائية بالنسبة لمستوى مسار الشمس الظاهري . وتُستخدم عدة أنماط تتبع مختلفة في العمليات، تتراوح بين التتبع الكامل للشمس، ووضع تقليل السحب ( وضع الطائرة الشراعية الليلية ووضع تقطيع الشمس )، ووضع زيادة السحب لخفض الارتفاع.

بمرور الوقت، تدهورت الخلايا الكهروضوئية الموجودة على الأجنحة تدريجيًا، إذ صُممت لتدوم 15 عامًا. ويظهر هذا التدهور جليًا في أولى المصفوفات التي أُطلقت، مع دعامتي P6 وP4 في عامي 2000 ( STS-97 ) و2006 ( STS-115 ). ^{[ 5 ]}

قامت مهمة STS-117 بتسليم دعامات S4 والصفائح الشمسية في عام 2007.

قامت مهمة STS-119 (رحلة تجميع محطة الفضاء الدولية 15A) بتسليم دعامة S6 بالإضافة إلى المجموعة الرابعة من الألواح الشمسية والبطاريات إلى المحطة خلال شهر مارس 2009.

لتعزيز الأجنحة القديمة، أطلقت ناسا ثلاث مجموعات من النسخ واسعة النطاق من مصفوفة الطاقة الشمسية القابلة للطي لمحطة الفضاء الدولية (IROSA) على متن ثلاث مركبات شحن من طراز دراغون 2 تابعة لشركة سبيس إكس، وذلك في الفترة من أوائل يونيو 2021 إلى أوائل يونيو 2023، وهي: CRS-22 و CRS-26 و CRS-28 . ^{[ 6 ]} ومن المتوقع إطلاق رابع على متن مركبة سبيس إكس CRS-35 في خريف 2026. ^{[ 7 ]} وقد تم نشر هذه المصفوفات على طول الجزء المركزي من الأجنحة حتى ثلثي طولها. ^{[ ٨ ]} بدأ طاقم البعثة ٦٤ العمل على تركيب دعامات iROSA على علب الصواري الحاملة لأجنحة المصفوفة الشمسية في أواخر فبراير ٢٠٢١. ^{[ ٩ ] [ ١٠ ]} بعد تسليم أول زوج من المصفوفات في أوائل يونيو، انتهت مهمة السير في الفضاء التي قام بها شين كيمبرو وتوماس بيسكيه من البعثة ٦٥ في ١٦ يونيو لوضع إحدى وحدات iROSA على قناة الطاقة ٢B وعلبة الصواري الخاصة بالدعامات P٦ مبكرًا بسبب صعوبات فنية في نشر المصفوفة. ^{[ ١١ ] [ ١٢ ] [ ١٣ ]}

شهدت عملية السير في الفضاء التي جرت في 20 يونيو/حزيران نشر أول جهاز iROSA بنجاح وربطه بنظام الطاقة في المحطة. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 13 ]} وفي عملية السير في الفضاء التي جرت في 25 يونيو/حزيران، نجح رواد الفضاء في تركيب ونشر جهاز iROSA الثاني على الصاري 4B المقابل للجهاز الأول . ^{[ 16 ] [ 13 ]}

أُطلقت اللوحتان التاليتان في 26 نوفمبر 2022. ^{[ 6 ]} قام رائدا الفضاء جوش كاسادا وفرانك روبيو من البعثة 68 بتركيب كل منهما على قناة الطاقة 3A وعلبة الصاري في الجزء S4، وقناة الطاقة 4A وعلبة الصاري في أجزاء P4 من الهيكل، في 3 و22 ديسمبر 2022 على التوالي. ^{[ 17 ]}

أُطلقت المجموعة الثالثة من الألواح في 5 يونيو 2023. وفي 9 يونيو، قام رائدا الفضاء ستيف بوين ووارن هوبورغ من البعثة 69 بتركيب جهاز iROSA الخامس على قناة الطاقة 1A وحامل الصاري في الجزء S4 من الهيكل. ^{[ 18 ] [ 19 ]} وفي 15 يونيو، قام بوين وهوبورغ بتركيب جهاز iROSA السادس على قناة الطاقة 1B وحامل الصاري في الجزء S6 من الهيكل. ^{[ 20 ]}

من المقرر تركيب آخر زوج من أجهزة iROSA ، وهما السابع والثامن، على قنوات الطاقة 2A و3B في قطاعي P4 وS6 من الهيكل في خريف عام 2026. ^{[ 7 ] [ 21 ]} قامت جيسيكا مير وكريستوفر ويليامز من البعثة 74 بتركيب دعامة iROSA الخاصة بالقناة 2A على علبة الصاري الخاصة بالقطاع P4 في 18 مارس 2026. ^{[ 22 ]}

وبما أن المحطة غالباً لا تتعرض لأشعة الشمس المباشرة، فإنها تعتمد على بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن (في البداية بطاريات النيكل والهيدروجين ) لتوفير الطاقة المستمرة خلال جزء "الكسوف" من المدار (35 دقيقة من كل مدار مدته 90 دقيقة).

تتألف كل مجموعة بطاريات، الموجودة على دعامات S4 وP4 وS6 وP6، من 24 خلية بطارية ليثيوم أيون خفيفة الوزن، بالإضافة إلى المعدات الكهربائية والميكانيكية المرتبطة بها. ^{[ 23 ] [ 24 ]} تبلغ السعة الاسمية لكل مجموعة بطاريات 110 أمبير/ساعة ( 396,000 كولوم ) (كانت في الأصل 81 أمبير/ساعة) و 4 كيلوواط/ساعة (14 ميغا جول) . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} تُغذى هذه الطاقة إلى محطة الفضاء الدولية عبر وحدة توزيع طاقة البطارية (BCDU) ووحدة دعم التيار المستمر (DCSU) على التوالي.    

تضمن البطاريات استمرار عمل المحطة دون انقطاع للطاقة اللازمة لتشغيل أنظمة دعم الحياة وإجراء التجارب. ويتم إعادة شحن البطاريات خلال الجزء المضاء من المدار. وقد صُنعت بطاريات النيكل-هيدروجين ووحدات شحن/تفريغ البطاريات بواسطة شركة سبيس سيستمز/لورال (SS/L) ^{[ 28 ]} بموجب عقد مع شركة بوينغ ^{[ 29 ]} . وتم استبدال بطاريات النيكل-هيدروجين الموجودة على دعامة P6 في عامي 2009 و2010 ببطاريات نيكل-هيدروجين إضافية جُلبت من مهمات مكوك الفضاء ^{[ 27 ]} . وكان العمر التصميمي لبطاريات النيكل-هيدروجين 6.5 سنوات، ويمكنها تحمل أكثر من 38,000 دورة شحن/تفريغ عند عمق تفريغ 35%. وقد تم استبدالها عدة مرات خلال العمر الافتراضي المتوقع للمحطة، والذي يبلغ 30 عامًا. ^{[ 30 ] [ 26 ]} كان قياس كل بطارية 40 × 36 × 18 بوصة (102 × 91 × 46 سم) ووزنها 170 كيلوغرامًا (370 رطلاً) . ^{[ 31 ] [ 26 ]} 

بين عامي 2017 و2021، استُبدلت بطاريات النيكل-هيدروجين ببطاريات الليثيوم أيون . ^{[ 27 ]} في 6 يناير 2017، بدأ عضوا البعثة 50، شين كيمبرو وبيغي ويتسون، عملية تحويل بعض أقدم البطاريات في محطة الفضاء الدولية إلى بطاريات الليثيوم أيون الجديدة. ^{[ 27 ]} واختتم عضوا البعثة 64 ، فيكتور غلوفر ومايكل س. هوبكنز، هذه العملية في 1 فبراير 2021. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} ثمة عدة اختلافات بين تقنيتي البطاريات. أحدها أن بطاريات الليثيوم أيون قادرة على استيعاب ضعف الشحنة، لذا لم تكن هناك حاجة إلا لنصف عدد بطاريات الليثيوم أيون أثناء الاستبدال. ^{[ 27 ] [ 26 ]} كما أن بطاريات الليثيوم أيون أصغر حجمًا من بطاريات النيكل-هيدروجين القديمة. ^{[ 27 ]} على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون عادةً ما يكون عمرها أقصر من بطاريات النيكل-هيدروجين لأنها لا تستطيع تحمل عدد كبير من دورات الشحن/التفريغ قبل أن تتعرض لتدهور ملحوظ، فقد صُممت بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بمحطة الفضاء الدولية لتحمل 60,000 دورة وعمرًا افتراضيًا يمتد لعشر سنوات، وهو أطول بكثير من العمر الافتراضي الأصلي لبطاريات النيكل-هيدروجين الذي يبلغ 6.5 سنوات. ^{[ 27 ] [ 26 ]}

يعمل النظام الفرعي لإدارة وتوزيع الطاقة عند جهد ناقل رئيسي مضبوط على V _mp ، وهو ذروة قدرة الألواح الشمسية. اعتبارًا من 30 ديسمبر 2005  كان جهد التشغيل الأقصى ( Vmp ₎ 160 فولت تيار مستمر . وقد يتغير هذا الجهد بمرور الوقت نتيجة لتدهور أداء المصفوفات بفعل الإشعاع المؤين. وتتحكم مفاتيح مُتحكَّم بها بواسطة معالج دقيق في توزيع الطاقة الأساسية في جميع أنحاء المحطة.

تُنظّم وحدات شحن/تفريغ البطاريات (BCDUs) كمية الشحن المُدخلة إلى البطارية. تستطيع كل وحدة BCDU تنظيم تيار التفريغ من وحدتي ORU للبطاريات (تحتوي كل منهما على 38 خلية Ni- _H2 موصولة على التوالي )، ويمكنها توفير ما يصل إلى 6.6  كيلوواط لمحطة الفضاء الدولية. أثناء الإشعاع الشمسي، تُزوّد ​​وحدة BCDU البطاريات بتيار الشحن وتتحكم في مقدار الشحن الزائد. تخضع كل من وحدة BCDU والبطاريات لست عشرة دورة شحن/تفريغ يوميًا. تحتوي محطة الفضاء الدولية على 24 وحدة BCDU، تزن كل منها 100  كيلوغرام. ^{[ 28 ]} تُوفّر شركة Space Systems/Loral وحدات BCDU . ^{[ 28 ]}

منذ عام 2007، سمح نظام نقل الطاقة من المحطة إلى المكوك الفضائي (SSPTS؛ يُنطق سبيتس ) للمكوك الفضائي الراسي في المحطة باستخدام الطاقة المُستمدة من الألواح الشمسية للمحطة الفضائية الدولية . وقد ساهم استخدام هذا النظام في تقليل استهلاك خلايا الوقود المولدة للطاقة الموجودة على متن المكوك ، مما سمح له بالبقاء راسيًا في المحطة الفضائية لمدة أربعة أيام إضافية. ^{[ 37 ]}

كان نظام نقل الطاقة المتزامن (SSPTS) ترقيةً للمكوك الفضائي، حيث استُبدلت وحدة تحويل الطاقة (APCU) بجهاز جديد يُسمى وحدة نقل الطاقة (PTU). كانت وحدة تحويل الطاقة قادرة على تحويل  طاقة ناقل التيار الرئيسي للمكوك الفضائي (28 فولت تيار مستمر) إلى 124  فولت تيار مستمر، وهو ما يتوافق مع نظام الطاقة في محطة الفضاء الدولية (120  فولت تيار مستمر). استُخدم هذا النظام في المراحل الأولى لبناء المحطة الفضائية لتعزيز الطاقة المُتاحة من وحدة الخدمة الروسية " زفيزدا " . تُضيف وحدة نقل الطاقة (PTU) إلى ذلك القدرة على تحويل طاقة ناقل التيار الرئيسي  للمركبة المدارية (28  فولت تيار مستمر) من محطة الفضاء الدولية إلى 120 فولت تيار مستمر. وهي قادرة على نقل ما يصل إلى 8  كيلوواط من الطاقة من المحطة الفضائية إلى المركبة المدارية. بفضل هذه الترقية، أصبح بإمكان كل من المكوك الفضائي ومحطة الفضاء الدولية استخدام أنظمة الطاقة الخاصة بالطرف الآخر عند الحاجة، مع العلم أن محطة الفضاء الدولية لم تعد بحاجة إلى استخدام أنظمة الطاقة الخاصة بالمركبة المدارية.

في ديسمبر 2006، خلال مهمة STS-116 ، أُعيد توصيل وحدة PMA-2 (التي كانت آنذاك في مقدمة وحدة ديستني ) للسماح باستخدام نظام SSPTS. ^{[ 38 ]} وكانت مهمة STS-118 على متن مكوك الفضاء إنديفور أول مهمة تستخدم النظام فعليًا . ^{[ 39 ]}

كانت سفينتا ديسكفري وإنديفور فقط مجهزتين بنظام SSPTS. أما أتلانتس فكانت المكوك الوحيد الباقي غير المجهز بهذا النظام، لذا لم يكن بإمكانها القيام إلا بمهام أقصر من بقية الأسطول. ^{[ 40 ]}

• "الطاقة لمحطة الفضاء الدولية!" . ناسا. 13 نوفمبر 2001. مؤرشف من الأصل في 29 ديسمبر 2009.
• "تزويد المستقبل بالطاقة: مساهمات مركز غلين التابع لناسا في تزويد محطة الفضاء الدولية بالطاقة الكهربائية" (ملف PDF) . ناسا. نوفمبر 2000. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 أبريل 2011. تاريخ الاطلاع: 21 ديسمبر 2006 .

• مساهمات مركز غلين التابع لناسا في نظام الطاقة الكهربائية لمحطة الفضاء الدولية (ISS) (مؤرشفة في 6 يونيو 2023 على موقع Wayback Machine)
• https://ntrs.nasa.gov/citations/20110015485