Một Chiếc Máy Bay Không Gian Bí Mật Mang Theo Một Thử Nghiệm Năng Lượng Mặt Trời Lên Quỹ Đạo

Vào thứ Bảy, Dự kiến Không quân Hoa Kỳ sẽ phóng chiếc máy bay không gian bí mật của mình, X-37B, để thực hiện một nhiệm vụ kéo dài ở quỹ đạo thấp của Trái Đất. Orbiter robot này giống như phiên bản nhỏ của tàu con thoi và đã dành gần tám trong số mười năm qua ở không gian thực hiện các thử nghiệm phân loại cho quân đội. Gần như không có thông tin gì được biết về những gì X-37B làm ở đó, nhưng trước chuyến bay thứ sáu của nó, Không quân đã cung cấp một số chi tiết hiếm hoi về hàng hóa của nó.

Ngoài bộ công nghệ quân sự bí mật thông thường, X-37B còn sẽ chứa đựng một vài thí nghiệm không phân loại trong chuyến đi sắp tới của mình trong không gian. NASA đang gửi lên hai thí nghiệm để nghiên cứu tác động của tia xạ lên hạt giống, và Học viện Không quân Hoa Kỳ đang sử dụng máy bay không gian để triển khai một vệ tinh nghiên cứu nhỏ. Nhưng ngôi sao thực sự của chương trình là một tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ được phát triển bởi các nhà vật lý tại Naval Research Lab sẽ được sử dụng để tiến hành thử nghiệm quỹ đạo đầu tiên với năng lượng mặt trời dựa trên không gian.

“Đây là một bước tiến quan trọng,” nói Paul Jaffe, một kỹ sư điện tử tại Naval Research Lab và nhà nghiên cứu chính của dự án. “Đây là lần đầu tiên mà bất kỳ thành phần nào hướng đến một hệ thống vệ tinh chạy bằng năng lượng mặt trời đã được thử nghiệm trên quỹ đạo.”

Năng lượng mặt trời dựa trên không gian liên quan đến việc đưa năng lượng mặt trời đến Trái Đất bất kể thời tiết hay thời gian trong ngày. Ý tưởng cơ bản là chuyển đổi năng lượng của mặt trời thành sóng radio và phát xuống. Khác với các tấm pin mặt trời trên mặt đất, các vệ tinh ở quỹ đạo đủ cao có thể chỉ trải qua bóng tối trong vài phút mỗi ngày. Nếu năng lượng này có thể được thu nhặt, nó có thể cung cấp một nguồn năng lượng không cạn kiệt bất kể bạn ở đâu trên hành tinh.

Đây là ý tưởng được nấu chín bởi nhà văn khoa học viễn tưởng Isaac Asimov từ những năm 1940; kể từ đó, các thí nghiệm về năng lượng phát sóng đã được thử nghiệm thành công nhiều lần trên Trái Đất. Nhưng thí nghiệm trên X-37B sẽ là lần đầu tiên các công nghệ cốt lõi đằng sau năng lượng mặt trời micro sóng được thử nghiệm trên quỹ đạo.

“Khoa học về phát sóng năng lượng bằng micro sóng được hiểu đầy đủ; đó là những thách thức kỹ thuật của việc mở rộng công nghệ đã biết về một kích thước chưa từng thấy trên quỹ đạo mà chúng ta cần tiến triển,” nói Ian Cash, giám đốc Công ty Điện lực Quốc tế, đang phát triển một nền tảng năng lượng mặt trời không gian gọi là CASSIOPeiA. “Nhưng mọi nỗ lực đều phải bắt đầu từ bước đầu tiên.”

Thí nghiệm được xây dựng bởi Jaffe và đồng nghiệp tại NRL là cái mà ông gọi là một “bộ kết cấu sandwich”. Đó là một hệ thống ba tầng để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện và sau đó chuyển đổi điện thành sóng micro. Thông thường, hệ thống chuyển đổi được đặt giữa một tấm pin mặt trời hiệu suất cao và ăng-ten được sử dụng để truyền năng lượng. Nhưng cho chuyến đi này, Jaffe và đồng nghiệp của ông sẽ không phát sóng năng lượng từ không gian xuống Trái Đất, vì tín hiệu radio sẽ gây xao lạc với các thí nghiệm khác trên máy bay không gian. Thay vào đó, mô-đun sandwich sẽ gửi tín hiệu radio qua một cáp để những người nghiên cứu tại NRL có thể nghiên cứu công suất đầu ra từ hệ thống.

Toàn bộ thí nghiệm của NRL có thể chứa trong một hộp pizza và sẽ không tạo ra đủ năng lượng để cung cấp cho một bóng đèn. Nhưng Jaffe nói rằng thí nghiệm là một bước quan trọng hướng tới một vệ tinh năng lượng không gian tự do bay. “Đã có rất nhiều công việc thực hiện các nghiên cứu và phân tích, và ít công việc hơn về việc tạo mẫu thực tế,” Jaffe nói. “Điều này không nhất thiết phải là phiên bản tinh tế nhất của những gì có thể đạt được, nhưng mục tiêu chính là đưa lên không gian với một chứng minh ý tưởng.”

Jaffe đã làm việc về năng lượng mặt trời dựa trên không gian hơn một thập kỷ tại NRL và lần đầu tiên giới thiệu mô hình mô-đun sandwich của mình vào năm 2014. Thiết kế này được dự định để giải quyết một số thách thức đã làm cho nghiên cứu năng lượng mặt trời dựa trên không gian gặp khó khăn suốt nhiều năm. Một trong những vấn đề lớn nhất với ý tưởng này là các tấm pin mặt trời ở quỹ đạo phải lớn để thu đủ ánh sáng mặt trời để hữu ích cho các ứng dụng trên Trái Đất. Ngay cả nếu những cấu trúc này có thể được xây dựng về nguyên tắc, chúng sẽ rất đắt đỏ và khó khăn để phóng lên.

“Nó sẽ quá lớn và không thuận tiện để phóng một hệ thống đã hoàn thành,” nói Chris DePuma, một kỹ sư điện tử của NRL và quản lý chương trình cho thí nghiệm. “Mô-đun sandwich là một cách để giảm khối lượng và modularize hệ thống để nó có thể được lắp ráp trên quỹ đạo.” Nhưng trước khi robot bắt đầu xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời khổng lồ trong không gian, có một số vấn đề cơ bản với các tấm pin mặt trời chính chúng ta cần giải quyết.

Jaffe nói rằng một trong những thách thức khó nhất là quản lý nhiệt. Trong không gian, tấm pin mặt trời hướng ra mặt trời có thể đạt đến nhiệt độ lên đến 300 độ Fahrenheit, trong khi các linh kiện điện tử hướng ra xa nó phải hoạt động ở chỉ vài độ trên nhiệt độ tuyệt đối. Những bộ phận điện tử này chỉ cách nhau vài inches, vì vậy Jaffe và đồng nghiệp của ông đã phải tìm cách làm sao để chấp nhận cả hai điều kiện. Jaffe nói rằng điều này chủ yếu liên quan đến việc thay đổi vật liệu và thiết kế lại một số phần của mô-đun sao cho tấm pin mặt trời được cách ly khỏi các linh kiện điện tử, hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ thấp hơn. Chuyến bay sắp tới của X-37B sẽ đưa phiên bản chịu được không gian của mô-đun sandwich này thử nghiệm.

Việc thử nghiệm trên chiếc máy bay không gian bí mật của Không quân đã đi kèm với một số sự hy sinh. Nếu loại thí nghiệm này được triển khai trên một vệ tinh, nó sẽ được đặt trong một quỹ đạo nơi ánh sáng mặt trời gần như luôn luôn có sẵn. Nhưng X-37B sẽ bay ở quỹ đạo thấp của Trái Đất, điều này có nghĩa là nó sẽ đi qua bóng đất khoảng mỗi 90 phút. Tuy nhiên, DePuma nói rằng những lợi ích của việc bay trên máy bay không gian đáng đồng ý với các điều đổi. “Chúng tôi có thể tập trung nhiều hơn vào thí nghiệm của mình, thay vì phải thiết kế một hệ thống đẩy và tất cả những điều khác mà một vệ tinh phải có,” ông nói. “Nó sẽ chỉ thu thập dữ liệu của chúng tôi và gửi nó cho chúng tôi theo chu kỳ.”

Nếu mọi thứ diễn ra tốt, Jaffe nói rằng bước tiếp theo sẽ là phát triển một vệ tinh năng lượng mặt trời thực nghiệm và thực sự gửi năng lượng từ quỹ đạo xuống Trái Đất. Ông nhận thức rằng điều này sẽ đòi hỏi thuyết phục Bộ Quốc phòng rằng thời gian và tiền bạc đáng giá công sức. Nhưng quân đội rõ ràng quan tâm đến công nghệ này. Tháng mười năm ngoái, Air Force Research Lab công bố một chương trình 100 triệu đô la để phát triển phần cứng cho một vệ tinh năng lượng mặt trời.

Jaffe nhìn nhận rằng năng lượng mặt trời dựa trên không gian ban đầu sẽ tạo ra một số ứng dụng sáng tạo, như máy bay không ngừng phải hạ cánh hoặc nguồn điện liên tục cho các căn cứ quân sự xa xôi. Nhưng Cash nhìn thấy những điều lớn hơn đang chờ đợi công nghệ này. “Năng lượng mặt trời dựa trên không gian giải quyết vấn đề lớn nhất của việc mở rộng năng lượng tái tạo trên mặt đất, đó là vấn đề lưu trữ,” ông nói. “Với sự giảm giá mạnh mẽ được cung cấp bởi việc phóng không gian có thể biến năng lượng mặt trời dựa trên không gian thành nguồn năng lượng liên tục và không tạo carbon rẻ nhất.”

Jaffe thích so sánh khái niệm năng lượng mặt trời dựa trên không gian với GPS. Nếu bạn nói với ai đó vài thập kỷ trước rằng một mạng lưới các vệ tinh nạp đồng hồ nguyên tử sẽ trở thành trung tâm của xã hội hiện đại, họ sẽ nghĩ bạn điên rồ. Nhưng ngày nay, GPS hướng dẫn mọi thứ từ dịch vụ chia sẻ xe đến đầu đạn hạt nhân. Trên thực tế, nhiều ứng dụng quan trọng của nó thậm chí không được tưởng tượng khi các vệ tinh GPS đầu tiên được phóng lên. Jaffe tin rằng điều này cũng có thể đúng đối với năng lượng mặt trời dựa trên không gian. Phát sóng năng lượng mặt trời từ không gian xuống Trái Đất nghe có vẻ xa hoa, khó hiểu và gần như không thể thực hiện—cho đến khi nó không còn như vậy nữa.

Những Điều Tuyệt Vời Nhiều Hơn Trên Mytour

• Những tâm sự của Marcus Hutchins, kẻ hack bảo vệ internet
• Người đã phát minh ra bánh xe? Và họ làm như thế nào?
• 27 ngày ở Tokyo Bay: Điều gì đã xảy ra trên Diamond Princess
• Tại sao nông dân đổ sữa, ngay cả khi người ta đang đói
• Mẹo và công cụ để tự cắt tóc tại nhà
• 👁 Trí tuệ nhân tạo khám phá ra một phương pháp điều trị tiềm năng cho Covid-19. Ngoài ra: Cập nhật tin tức trí tuệ nhân tạo mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Kiểm tra những lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất