אנרגית השמש היא מקור עשיר של כח לחלליות המרחפות באיזור הפנימי של מערכת השמש. אבל כמה רחוק מכדה”א יכולה פעילות פוטואלקטרית לעבוד?
מאת: Gil Knier ו-Dr Tony Phillips , אתר FIRST SCIENCE
למעלה: השמש, כפי שהיא נראית מכוכב פלוטו המרוחק, היא סתם עוד כוכב בשמי הלילה, למרות שהיא הזוהרת מכלם. למטה: מימין: הרעיון המוצג על ידי האמן מראה תחנת קרקע המקרינה כח לחללית מרוחקת; משמאל: קונספט של מפרש סולרי
תרגום: אלי בן דוד, עבור אתר “הידען”
נסה את זה: עצום את עיניך ותנסה לדמיין את תחנת החלל הבינלאומית (ISS), מוארת ומבהיקה בעודה חגה סביב כדה”א.
איך היא נראתה? הדמות המצטיירת במוחך בוודאי נשלטת על ידי כנפיים יפות ורחבות – המערך הסולרי המרשים של תחנת החלל.
זה לא מקרי שהפנלים הסולריים (קולטי השמש) שולטים בפרופיל של התחנה. על ה-ISS (כמו גם על כדה”א) אנרגיית השמש מניעה, בסופו של דבר, כל מה שמתרחש. השמש שלנו מקרינה כח עצום של פלט אנרגיה הנמדד ב- 4 X10 בחזקת 23 קילוואט, שהם 4 עם 23 אפסים! של תאים פוטואלקטריים, הממירים את אור השמש לחשמל, אשר צריך ליירט רק חלק זעיר ממנו כדי להניע את התחנה.
אבל לא כל החלליות מרחפות בקרבת כדה”א היכן שאור השמש מצוי בשפע. חלליות מחקר רבות של נאסא נוסעות הרחק מעבר למסלול כדה”א, ובעודן עושות כך, גודל המרחק בינן לבין השמש ואורה מתעמעם. איפה שהוא שם למעלה, כחה של השמש מפסיק להיות מקור יעיל של אנרגיה עבור החללית – אבל איפה?
זה מה שמתכנני החלליות של נאסא רוצים לדעת: היכן הוא הקצה הסופי של האפקטיביות של הסתמכות על אנרגיה מקרני השמש? מהו הטווח הסופי שלהן?
התאים הסולריים של תחנת החלל, אשר פותחו לפני עשורים, ממירים 14% של אנרגיית השמש הפוגעת בה לחשמל, והתאים הפוטואלקטריים רחבי הספקטרום, הממירים אור בחלקים רבים של הספקטרום, לכח חשמל, מגיעים ליעילות של 30% בקירוב. מתקנים מהסוג הזה עובדים היטב בהיקף הפנימי המואר-בבהירות של מערכת השמש, אבל למסעות ארוכים יותר ובמקומות בהם פוטונים סולריים נדירים יצטרכו בוודאי תאים יותר יעילים ומערך סולרי הרבה יותר גדול. הרחק מהישג ידה של השמש, למשל, היכולת להמיר אפילו פוטונים בודדים לחשמל תהיה לה חשיבות גדולה.
“אור השמש מצטמצם באינטנסיביות הנובעת מהמרחק, על ידי הגורם של אחד חלקי R בריבוע, כאשר R הוא המרחק מהשמש” מסביר Geoff Landis, ממרכז המחקר על שם גלן, בנאסא, “זה אומר שמטר רבוע של מערך סולרי המייצר 400 וואט במרחק של 1 AU, יהיה חייב להיות בגודל של 25 מטר רבוע בקרבת יופיטר – וכמעט 2,000 מ”ר בקרבת פלוטו כדי להפיק את אותו כח”. (הערה: יחידה אסטרונומית או “AU” היא המרחק הממוצע בין כדה”א לשמש. 1AU שווה 150 מליון קילומטרים).
לנדיס ועמיתיו בסניף של מרכז גלן ל-Photovoltaics and Space Environment חוקרים דרכים חדשות לרתום את כח השמש – כולל תאים סולריים יותר יעילים, אנרגיה של קרינת-לייזר לחלליות מרוחקות ושיטות של אנרגיה סולרית לירח ולמאדים. “השימוש בכח סולרי הוא מחקר מורכב”, אומר לנדיס. “מציאת פתרון דורשת שנשקול את גורמי המרחק, משקל, את האנרגיה של רצועות אור שונות ואת החומר האקטואלי שברשותנו”.
“בשימוש בטכנולוגיה בת ימינו”, הוא אומר, “טווח קרני השמש שאנו יכולים להשתמש בהן נמצא במרחק ארבע יח' אסטרונומיות מהשמש, היכן שקרני השמש מאירות בעוצמה של 1/16 מאשר בסביבת כדור הארץ”. זה מעבר למסלול של מאדים (1.5 AU), אבל קרוב יותר לשמש מאשר יופיטר (5.2 AU).
“אנו מקווים כי עם הטכנולוגיות של המחר נוכל לדחוף את הטווח הרחק בתוך מערכת השמש”, הוא אומר. “קולטי שמש עתידיים, למשל, עשויים להשתמש בפילמים מתקדמים – כמעט כמו עטיפות הסראן – ותאי שמש קלי משקל מאד, אשר יכולים להימתח על פני שטח של אקר (שטח השווה ל-4 קמ”ר-א.ב.) או יותר בגודלו. במקום חללית הנושאת עמה מערך סולרי, יהיה מערך סולרי הנושא עמו חללית”.
מפרשים רחבי יריעה כאלה יהיו מטרה לאבק-חלל הנע במהירות, כך שהם יעוצבו להיות חסיני-ניקוב ומחומר הנאטם מאליו – עוד אתגר לבוני חלליות.
נכון להיום, המרחק הרב ביותר שחללית-מונעת-בכח-השמש הגיעה אליו היה 2.35 AU – הישג שהגיע אליו באוקטובר האחרון לוויין-מחקר של נאסא 'סטארדאסט'. סטארדאסט יאריך את ההישג שלו כל יום עד אפריל 2002, כאשר יגיע למרחק מקסימאלי מהשמש של 2.72 AU בדרכו לקומט WILD 2. המערך הסולרי של סטארדאסט למעשה מייצר יותר אנרגיה מהמצופה. אולי מפני שהתאים הפוטואלקטריים שלו פועלים באופן יותר יעיל בקור של מעמקי החלל מאשר מעבדות בכדה”א. אף אחד לא בטוח, זו טריטוריה שעוד לא חקרו אותה.
לא הרחק כל כך מהשמש כמו הסטארדאסט, החללית הניסיונית 'חלל עמוק 1' ניסתה לאחרונה “מֵרָכֶּז סולרי” – 720 עדשות שריכזו קרני שמש על 3,600 תאים סולריים. חלל-עמוק 1 הייתה לחללית-המחקר-מונעת-כח-סולרי הראשונה הנסמכת באופן בלעדי על תאי TRIPLE-JUNCTION MULTIBANDGAP. המערכת הקטנה אבל החדשנית מחוללת 2,500 וואט: מספיק להפעיל שלושה מכשירי מיקרוגל ויותר ממספיק לספק כח לחללית עם מנוע-יונים.
התקדמות כזאת תדחף, בסופו של דבר, אנרגיה סולרית עמוק לתוך החלל – אולי, אפילו, מחוץ למערכת השמש בכלל.
“בטווח הרחוק, מערכים סולאריים לא יצטרכו להסתמך על השמש”, אומר לנדיס, “אנחנו בוחנים את הרעיון של שימוש בקרני לייזר כדי להקרין פוטונים אל המערך הסולרי. אם תעשה מכשיר לייזר מספיק חזק ואם תוכל לכוון את הקרן, אז באמת לא יהיה סוף לטווח של קרני השמש – עם עדשות מספיק גדולות נוכל להקרין אור לחלליות מחקר עד מחצית הדרך לאלפא-קנטאורי”.
הקרנת אנרגיית אור למטרות על הארץ, בחלל, על הירח או על מאדים ועל פלנטות אחרות – או לחלליות מרוחקות – היא חומר למדע בדיוני. זהו הנתיב שבו צועד ג'וף לנדיס. הוא גם זוכה בפרסי ההוגו והנביולה לסופרי מדע בדיוני! כמדען הוא וחבורתו מנאסא מצויים בעיסוק יומיומי של הושטת היד להשיג את קצה הטווח של קרני השמש, ורואים איך בִּדיוֹן הופך במהירות לעובדה.
