الألواح الشمسية على المركبة الفضائية

تُعدّ الألواح الشمسية الكهروضوئية مصدر الطاقة لجميع المركبات الفضائية التي أُطلقت تقريبًا. وتستخدم المركبات الفضائية الحديثة عادةً خلايا شمسية متعددة الوصلات وألواحًا مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم . وكانت مركبة فانغارد 1 أول مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية ، وهي ثاني قمر صناعي يُطلق إلى الفضاء .

تستخدم المركبات الفضائية، التي تدور في مدارات قريبة من مركز الأرض ، الألواح الشمسية على نطاق واسع. وكما هو الحال مع معظم الأقمار الصناعية، استخدمت جميع محطات الفضاء المأهولة الألواح الشمسية؛ إذ تُعدّ مصفوفة محطة الفضاء الدولية الأكبر على الإطلاق التي تم تجميعها في الفضاء، بمساحة 3244 مترًا ^مربعًا وامتداد جناحين يبلغ 73 مترًا . وقد استُخدمت الطاقة الشمسية في مركبات فضائية مأهولة أخرى ، بما في ذلك سويوز ، وشنتشو ، وكرو دراغون ، وأوريون .

مع ازدياد البعد عن الشمس، يضعف الإشعاع الشمسي ، مما يجعل مولدات الطاقة الكهروحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة (RTGs) مصدر طاقة أكثر ملاءمة للبعثات الفضائية إلى المريخ والكواكب الخارجية ، وتلك التي تغادر المجموعة الشمسية . ^{[ 1 ]} ومع ذلك، فقد استُخدمت مصفوفات شمسية أكبر على نطاق واسع حول المريخ، وفي بعثات كوكب المشتري مثل جونو ، ومستكشف أقمار المشتري الجليدية ، ويوروبا كليبر ، ويعود ذلك جزئيًا إلى النقص العالمي في البلوتونيوم-238 . تشمل بدائل الطاقة النووية الأخرى في الفضاء مفاعلات الانشطار المتخصصة ، مثل تلك الموجودة على متن قمري SNAP-10A و US-A الصناعيين، ومشروع كيلوباور الحديث التابع لناسا .

قدّم راسل شومايكر أوهل، الباحث في مختبرات بيل، أولى الخلايا الشمسية العملية المصنوعة من السيليكون عام 1940. لم تتجاوز كفاءتها 1%. وفي 25 أبريل 1954، في موراي هيل، نيو جيرسي، عرضوا لوحتهم الشمسية باستخدامها لتشغيل عجلة دوارة صغيرة وجهاز إرسال لاسلكي يعمل بالطاقة الشمسية. بلغت كفاءتها في البداية حوالي 6%، لكن التحسينات بدأت ترفع هذه النسبة فورًا تقريبًا. كان بيل مهتمًا بالفكرة كنظام لتوفير الطاقة لمحطات تقوية إشارات الهاتف البعيدة، لكن تكلفة الأجهزة كانت باهظة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها عمليًا لهذا الغرض. وباستثناء مجموعات تجريبية صغيرة واستخدامات محدودة، ظلت الخلايا غير مستخدمة إلى حد كبير. ^{[ 2 ]}

تغير هذا الوضع مع تطوير أول مركبة فضائية أمريكية، وهي القمر الصناعي فانغارد 1 عام 1958. أظهرت حسابات الدكتور هانز زيغلر أن نظامًا يستخدم خلايا شمسية لإعادة شحن بطارية يوفر الطاقة المطلوبة في حزمة أخف وزنًا بكثير من استخدام بطارية فقط. ^{[ 3 ]} كان القمر الصناعي يعمل بخلايا شمسية سيليكونية بكفاءة تحويل تبلغ حوالي 10%. ^{[ 4 ]}

بعد أسابيع قليلة من إطلاق الولايات المتحدة للقمر الصناعي فانغارد 1، أطلق برنامج الفضاء السوفيتي القمر الصناعي سبوتنيك 3 مزودًا ببطاريات من الفضة والزنك مع خلايا شمسية سيليكونية تجريبية. ^{[ 5 ]} كان الغرض من هذه البطاريات هو تشغيل جهاز الإرسال والمعدات الأخرى، بالإضافة إلى اختبار التأثيرات طويلة المدى للإشعاع وأضرار النيازك الدقيقة على البطاريات الشمسية. غُطيت بعض البطاريات بزجاج واقٍ، بينما تُركت أخرى مكشوفة. استطاعت هذه البطاريات تشغيل جهاز الإرسال ماياك بتردد 20 ميجاهرتز وعداد التلألؤ الخاص بسيرجي فيرنوف ، وقد عملت هذه الأجهزة طوال عمر القمر الصناعي، حتى دخوله الغلاف الجوي بعد عامين تقريبًا. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

ألهم نجاح نظام فانغارد شركة سبيكترولاب ، المتخصصة في البصريات، لتطوير خلايا شمسية مصممة خصيصًا للتطبيقات الفضائية. حققت الشركة أول فوز كبير لها في تصميم بايونير 1 عام 1958، وكانت خلاياها لاحقًا أول ما وصل إلى القمر، ضمن حزمة ALSEP لمهمة أبولو 11. مع ازدياد حجم الأقمار الصناعية وقدرتها، بدأت سبيكترولاب بالبحث عن طرق لتقديم خلايا أكثر قوة. قادها ذلك إلى ريادة تطوير الخلايا متعددة الوصلات التي رفعت الكفاءة من حوالي 12% لخلايا السيليكون التي أنتجتها في سبعينيات القرن الماضي إلى حوالي 30% لخلايا زرنيخيد الغاليوم (GaAs) الحالية. تُستخدم هذه الأنواع من الخلايا الآن على نطاق واسع في جميع المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية. ^{[ 9 ]}

توفر الألواح الشمسية الموجودة على المركبات الفضائية الطاقة لاستخدامين رئيسيين:

• الطاقة اللازمة لتشغيل أجهزة الاستشعار، والتدفئة النشطة، والتبريد، والقياس عن بعد.
• الطاقة اللازمة لدفع المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الكهربائية ، والتي تسمى أحيانًا الدفع الكهربائي أو الدفع الشمسي الكهربائي. ^{[ 10 ]}

في كلا الاستخدامين، يُعدّ معدل الطاقة النوعية (الواط المُولّد مقسومًا على كتلة المصفوفة الشمسية ) أحد أهمّ معايير أداء الألواح الشمسية ، إذ يُشير هذا المعدل، على أساس نسبي، إلى مقدار الطاقة التي ستُولّدها مصفوفةٌ ما لكتلة إطلاق مُحدّدة مُقارنةً بمصفوفةٍ أخرى. ومن المعايير الرئيسية الأخرى كفاءة التعبئة عند التخزين (الواط المُنتَج عند النشر مقسومًا على الحجم عند التخزين)، والتي تُبيّن مدى سهولة تركيب المصفوفة في مركبة الإطلاق. كما يُعدّ التكلفة (دولار لكل واط) معيارًا رئيسيًا آخر. ^{[ 11 ]}

لزيادة القدرة النوعية، تستخدم الألواح الشمسية النموذجية على المركبات الفضائية خلايا شمسية مستطيلة متراصة تغطي ما يقارب 100% من المساحة المرئية للشمس، بدلاً من دوائر رقائق السيليكون الشمسية التي، على الرغم من تراصها المتراص، تغطي حوالي 90% من المساحة المرئية للشمس في الألواح الشمسية النموذجية على الأرض. مع ذلك، تحتوي بعض الألواح الشمسية على المركبات الفضائية على خلايا شمسية تغطي 30% فقط من المساحة المرئية للشمس. ^{[ 10 ]}

تحتاج الألواح الشمسية إلى مساحة سطحية كبيرة يمكن توجيهها نحو الشمس أثناء حركة المركبة الفضائية. فكلما زادت مساحة السطح المعرضة للشمس، زادت كمية الكهرباء التي يمكن تحويلها من الطاقة الضوئية القادمة من الشمس. ونظرًا لصغر حجم المركبات الفضائية، فإن ذلك يحد من كمية الطاقة التي يمكن إنتاجها. ^{[ 1 ]}

تُنتج جميع الدوائر الكهربائية حرارة مهدرة ؛ بالإضافة إلى ذلك، تعمل الألواح الشمسية كمجمعات ضوئية وحرارية وكهربائية. يجب إشعاع الحرارة من أسطحها. قد تحتوي المركبات الفضائية عالية الطاقة على ألواح شمسية تتنافس مع الحمولة النشطة نفسها على تبديد الحرارة. قد تكون اللوحة الداخلية من الألواح "فارغة" لتقليل تداخل الرؤية إلى الفضاء. تشمل هذه المركبات الفضائية أقمار الاتصالات عالية الطاقة (مثل الجيل الأحدث من TDRS ) ومركبة فينوس إكسبريس ، وهي ليست عالية الطاقة ولكنها أقرب إلى الشمس.

تُصمَّم المركبات الفضائية بحيث يمكن تدوير الألواح الشمسية أثناء حركتها، ما يضمن بقاءها دائمًا في مسار أشعة الشمس المباشر بغض النظر عن اتجاه المركبة. وعادةً ما تُصمَّم هذه المركبات بألواح شمسية يمكن توجيهها باستمرار نحو الشمس، حتى مع تحرك باقي أجزاء المركبة، تمامًا كما يمكن توجيه برج الدبابة بشكل مستقل عن اتجاهها. وغالبًا ما تُدمج آلية تتبع في الألواح الشمسية للحفاظ على توجيهها نحو الشمس. ^{[ 1 ]}

في بعض الأحيان، يقوم مشغلو الأقمار الصناعية بتوجيه الألواح الشمسية عمداً إلى وضع "غير مباشر"، أي خارج المحاذاة المباشرة مع الشمس. يحدث هذا عندما تكون البطاريات مشحونة بالكامل ويكون مقدار الكهرباء المطلوبة أقل من مقدار الكهرباء المنتجة؛ كما يُستخدم التوجيه غير المباشر أحياناً في محطة الفضاء الدولية لتقليل مقاومة المدار .

يحتوي الفضاء على مستويات متفاوتة من الإشعاع الكهرومغناطيسي العالي، بالإضافة إلى الإشعاع المؤين . توجد أربعة مصادر للإشعاع: أحزمة الإشعاع الأرضية (وتُسمى أيضًا أحزمة فان ألين)، والأشعة الكونية المجرية ، والرياح الشمسية ، والتوهجات الشمسية . تتكون أحزمة فان ألين والرياح الشمسية في الغالب من البروتونات والإلكترونات، بينما تتكون الأشعة الكونية المجرية في معظمها من بروتونات عالية الطاقة، وجسيمات ألفا، وأيونات أثقل. ^{[ 13 ]} تتعرض الألواح الشمسية لانخفاض في الكفاءة بمرور الوقت نتيجةً لهذه الأنواع من الإشعاع، لكن معدل هذا الانخفاض يعتمد بشكل كبير على تقنية الخلايا الشمسية وموقع المركبة الفضائية. مع استخدام ألواح زجاجية مغطاة بزجاج البوروسيليكات، قد يتراوح هذا الانخفاض في الكفاءة بين 5 و10% سنويًا. أما أنواع الزجاج الأخرى، مثل زجاج السيليكا المنصهر وزجاج الرصاص، فقد تُقلل هذا الانخفاض إلى أقل من 1% سنويًا. ويُعد معدل الانخفاض دالةً لطيف التدفق التفاضلي والجرعة المؤينة الكلية.

حتى أوائل التسعينيات، كانت المصفوفات الشمسية المستخدمة في الفضاء تعتمد بشكل أساسي على خلايا السيليكون البلورية . ومنذ ذلك الحين، أصبحت الخلايا الشمسية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم مفضلة على السيليكون نظرًا لكفاءتها العالية وبطء تدهورها في بيئة الإشعاع الفضائي. وتُعد الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات حاليًا الأكثر كفاءة بين الخلايا الشمسية المنتجة . وتستخدم هذه الخلايا مزيجًا من عدة طبقات من فوسفيد الإنديوم والغاليوم، وزرنيخيد الغاليوم، والجرمانيوم لاستخلاص المزيد من الطاقة من الطيف الشمسي. وتستطيع الخلايا متعددة الوصلات المتطورة تجاوز كفاءة 39.2% تحت إضاءة AM1.5G غير المركزة، و47.1% تحت إضاءة AM1.5G المركزة. ^{[ 14 ]}

حتى الآن، لم يُستخدم الطاقة الشمسية عمليًا إلا في عمليات الدفع، وذلك للمركبات الفضائية التي لا تبعد عن الشمس أكثر من مدار كوكب المشتري . فعلى سبيل المثال، استخدمت مركبات جونو وماجلان ومارس غلوبال سيرفيور ومارس أوبزرفر الطاقة الشمسية ، وكذلك تلسكوب هابل الفضائي الذي يدور حول الأرض . واستخدم مسبار روزيتا الفضائي ، الذي أُطلق في 2 مارس 2004، ألواحه الشمسية التي تبلغ مساحتها 64 مترًا مربعًا (690 قدمًا مربعًا ) ^{[ 15 ]} حتى مدار كوكب المشتري (5.25 وحدة فلكية )؛ وكان أبعد استخدام سابق للطاقة الشمسية من نصيب مركبة ستارداست الفضائية على بُعد وحدتين فلكيتين. كما استُخدمت الطاقة الشمسية للدفع في مهمة SMART-1 القمرية الأوروبية باستخدام دافع يعمل بتأثير هول . ^{[ 16 ]}  

تُعدّ مهمة جونو ، التي انطلقت عام 2011، أول مهمة إلى كوكب المشتري (وصلت إليه في 4 يوليو 2016) تستخدم الألواح الشمسية بدلاً من مولدات الطاقة الحرارية النووية التقليدية المستخدمة في مهمات سابقة إلى النظام الشمسي الخارجي، مما يجعلها أبعد مركبة فضائية تستخدم الألواح الشمسية حتى الآن. ^{[ 17 ] [ 18 ]} وتبلغ مساحة ألواحها الشمسية 50 مترًا مربعًا (540 قدمًا مربعًا ) . ^{[ 19 ] [ 20 ]}  

تستخدم المركبة الهابطة InSight ، والمروحية Ingenuity ، والمركبة المدارية Tianwen-1 ، والمركبة الجوالة Zhurong ، وجميعها تعمل حاليًا على سطح المريخ، الألواح الشمسية أيضًا.

ومن المركبات الفضائية الأخرى المثيرة للاهتمام مركبة داون التي دخلت مدارًا حول 4 فيستا في عام 2011. وقد استخدمت محركات الدفع الأيونية للوصول إلى سيريس . ^{[ 21 ]}

تمت دراسة إمكانية استخدام المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية خارج كوكب المشتري. ^{[ 22 ]}

تستخدم محطة الفضاء الدولية أيضًا ألواحًا شمسية لتزويد جميع مكوناتها بالطاقة. تغطي 262,400 خلية شمسية مساحة تقارب 27,000 قدم مربع (2,500 متر مربع ⁾ . يوجد أربع مجموعات من الألواح الشمسية تُغذي المحطة، وقد تم تركيب المجموعة الرابعة في مارس 2009. يمكن توليد 240 كيلوواط من الكهرباء من هذه الألواح، أي ما يعادل 120 كيلوواط كمتوسط ​​طاقة للنظام، بما في ذلك 50% من وقت المحطة في ظل الأرض. ^{[ 23 ]} 

في المهمات المستقبلية، يُستحسن تقليل كتلة الألواح الشمسية وزيادة الطاقة المولدة لكل وحدة مساحة. سيؤدي ذلك إلى تقليل الكتلة الإجمالية للمركبة الفضائية، وقد يجعل تشغيل المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة الشمسية ممكنًا على مسافات أبعد من الشمس. يمكن تقليل كتلة الألواح الشمسية باستخدام خلايا ضوئية رقيقة، وركائز مرنة، وهياكل دعم مركبة. ويمكن تحسين كفاءة الألواح الشمسية باستخدام مواد جديدة للخلايا الضوئية ومُركِّزات شمسية تُكثِّف ضوء الشمس الساقط. تُعدّ الألواح الشمسية المُركِّزة الضوئية، المُخصصة لتزويد المركبة الفضائية بالطاقة الأساسية، أجهزة تُكثِّف ضوء الشمس على الخلايا الضوئية. يستخدم هذا التصميم عدسة مسطحة، تُسمى عدسة فريسنل ، والتي تأخذ مساحة كبيرة من ضوء الشمس وتُركِّزها على بقعة أصغر، مما يسمح باستخدام مساحة أصغر من الخلايا الشمسية.

تُركّز مُركّزات الطاقة الشمسية الضوء من منطقة المُركّز الكبيرة إلى منطقة الخلية الأصغر، مما يُقلّل من عدد الخلايا الشمسية باهظة الثمن بفضل زيادة التركيز. تعمل المُركّزات بكفاءة عالية عند وجود مصدر ضوء واحد، حيث يُمكن توجيه المُركّز نحوه مباشرةً. يُعدّ هذا مثاليًا في الفضاء، حيث تُمثّل الشمس مصدر الضوء الوحيد. تُشكّل الخلايا الشمسية الجزء الأغلى في المصفوفات الشمسية، وغالبًا ما تُمثّل هذه المصفوفات جزءًا باهظ الثمن من المركبة الفضائية. قد تُساهم هذه التقنية في خفض التكاليف بشكل كبير نظرًا لاستخدام كميات أقل من المواد. ^{[ 24 ]}

• 
  فانغارد 1 ، أول قمر صناعي يعمل بالطاقة الشمسية
• 
  مسبار جونو الفضائي
• 
  جزء من إحدى الألواح الشمسية لمركبة جونو
• 
  أسطوانة لوحة الطاقة الشمسية في شركة هيوز للطائرات، حوالي عام 1979
• 
  الألواح الشمسية على محطة الفضاء الدولية ، سبتمبر 2000
• 
  اختبار الضوء الأسود للخلايا الشمسية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم ثلاثية الوصلات من شركة داون ^{[ 25 ]}
• 
  سفينة الهبوط فيلاي التابعة لروزيتا
• 
  يتم تزويد بطاريات مروحية المريخ " إنجينيويتي " بالطاقة بواسطة الألواح الشمسية.

• للاطلاع على معلومات حول الألواح الشمسية في محطة الفضاء الدولية ، انظر قسم الألواح الشمسية في محطة الفضاء الدولية أو قسم النظام الكهربائي لمحطة الفضاء الدولية
• طائرة الهليكوبتر "إنجينويتي مارس 2020" تعمل ببطاريات تغذيها الألواح الشمسية
• الطاقة النووية في الفضاء
• نظام الخلايا الكهروضوئية
• الخلية الشمسية
• الطاقة الشمسية الفضائية