نصب آرایه خورشیدی جدید ایستگاه فضایی در صدمین راهپیمایی فضایی آمریکا

راهپیمایی فضایی؛ کار در خلأ

در ساعت ۳:۰۸ بعدازظهر به وقت شرقی، دو فضانورد پس از هفت ساعت و یازده دقیقه کار در بیرون ایستگاه فضایی بین‌المللی به درون هواپند کوئست (Quest airlock) بازگشتند. آنیل منون (Anil Menon) از ناسا و جاشوا کوتریک (Joshua Kutryk) از آژانس فضایی کانادا، هر دو از خدمه اکسپدیشن ۷۵، مأموریتی را به پایان رساندند که هدف آن نصب هفتمین آرایه خورشیدی غلتان ایستگاه بود. این راهپیمایی، صدمین راهپیمایی فضایی آمریکا از این ایستگاه بدون حضور شاتل فضایی بازنشسته‌شده بود.

کار در خلأ فضایی یکی از سخت‌ترین فعالیت‌های مهندسی بشر است. فضانورد نه وزن دارد و نه تکیه‌گاه؛ هر پیچاندن آچار باید با گرفتن دستگیره‌ای دیگر جبران شود. دمای سطوح بیرونی ایستگاه میان آفتاب مستقیم و سایه زمین ده‌ها درجه اختلاف دارد و لباس فضایی باید هم فشار داخلی را حفظ کند، هم اکسیژن برساند، هم گرما را دفع کند. به همین دلیل، هر عملیات بیرونی ساعت‌ها تمرین در استخرهای شبیه‌ساز و شبیه‌سازی رایانه‌ای می‌خواهد.

آرایه‌ای که در یک کپسول جا می‌شود

آرایه جدید در ابعاد ۳ در ۰٫۶ در ۱٫۲ متر و به شکل یک بسته پیچیده‌شده، حدود یک ماه پیش در بخش بار بدون فشار کپسول دراگون (Dragon) شرکت اسپیس‌ایکس به ایستگاه رسیده بود. وزن آن ۳۴۰ کیلوگرم است؛ عددی که برای جسمی به این ابعاد فشرده، نشان‌دهنده چگالی بالای طراحی مکانیکی است.

منون ابتدا بسته را از سکوی ذخیره‌سازی موقت باز کرد، سپس خود را به انتهای بازوی رباتیک کانادارم-۲ (Canadarm2) بست و آرایه را مانند یک جرثقیل انسانی به سمت سمت چپ ایستگاه حمل کرد. کوتریک از مسیر خرپای اصلی ایستگاه به محل کار رسید. آن دو آرایه را با پیچ روی کانال برق 2A در خرپای P4 محکم کردند و کابل‌های آن را در یک گذر شبانه به سیستم برق ایستگاه وصل کردند. انتخاب شب برای این کار، احتیاطی مهندسی است: در تاریکی، پنل‌ها جریان تولید نمی‌کنند و خطر قوس الکتریکی و برق‌گرفتگی هنگام اتصال به حداقل می‌رسد.

چرا ایستگاه به برق بیشتری نیاز دارد

هشت آرایه خورشیدی اصلی ایستگاه در سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۹ نصب شدند و برای عمر طراحی پانزده‌ساله ساخته شده بودند. اکنون سال‌ها از آن تاریخ گذشته و بازده آن‌ها بر اثر آسیب پرتوهای پرانرژی، چرخه‌های حرارتی شدید و برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها کاهش یافته است. سلول‌های خورشیدی در فضا تحت تابش مداوم پروتون‌ها و الکترون‌های پرانرژی، نقص‌های بلوری پیدا می‌کنند که بازترکیب حامل‌های بار را افزایش می‌دهد و ولتاژ خروجی را پایین می‌آورد.

آرایه‌های غلتان جدید (iROSA) روی پنل‌های قدیمی‌تر و بزرگ‌تر می‌نشینند و بخشی از سطح آن‌ها را می‌پوشانند. این ترکیب، توان تأمینی ایستگاه را بین ۲۰ تا ۳۰ درصد افزایش داده است. این برق تنها برای روشنایی و آزمایش‌های علمی مصرف نمی‌شود؛ سیستم‌های پشتیبان حیات، گرمایش، ارتباطات و پیشرانه‌های کنترل مدار نیز به آن وابسته‌اند.

فیزیک سلول خورشیدی در مدار

در فاصله ایستگاه از زمین، شدت تابش خورشید حدود ۱۳۶۱ وات بر مترمربع است؛ یعنی تقریباً همان مقداری که در بالای جو زمین اندازه‌گیری می‌شود و کمی بیشتر از تابشی که در یک روز صاف به سطح زمین می‌رسد. علت اصلی این تفاوت، جذب و پراکندگی نور در جو است. اما همین نبود جو، یک مزیت بزرگ و یک عیب بزرگ دارد: نور بی‌واسطه و پرانرژی است، ولی هیچ هوا یا آب و خاکی برای خنک‌کردن پنل وجود ندارد. در خلأ، گرمای اضافی تنها با تابش فروسرخ دفع می‌شود و طراحی حرارتی پنل به همان اندازه طراحی الکتریکی آن اهمیت دارد.

سلول خورشیدی یک قطعه نیمرسانا است که در آن فوتون‌های نور، الکترون‌ها را از پیوندگاه p-n جدا می‌کنند و جریان الکتریکی می‌سازند. هرچه انرژی فوتون به شکاف انرژی ماده نزدیک‌تر باشد، بازده بالاتر است. به همین دلیل آرایه‌های فضایی از مواد سه‌گانه و چندپیوندی استفاده می‌کنند که لایه‌های مختلف آن‌ها بخش‌های مختلف طیف خورشید را جذب می‌کند.

انرژی پتانسیل به‌جای موتور

شاید شگفت‌انگیزترین بخش ماجرا این باشد: آرایه جدید برای باز شدن به موتور نیاز ندارد. دو بازوی باریک از جنس کامپوزیت کربنی که در حالت جمع‌شده مانند فنر خم شده‌اند، انرژی کشسانی را در خود ذخیره کرده‌اند. با آزاد شدن قفل‌ها، این انرژی پتانسیل به آرامی رها می‌شود و سازه را تا طول ۶۳ فوت، حدود ۱۹ متر، باز می‌کند.

برای درک این سازوکار، نوار اندازه‌گیری فلزی یک صنعتگر را در نظر بگیرید؛ نواری که وقتی رهایش کنید خودبه‌خود بیرون می‌آید و صاف می‌شود. تفاوت این است که بازوهای کامپوزیتی ایستگاه باید در خلأ، در محدوده دمایی بسیار وسیع و بدون امکان تعمیر، دقیقاً همان‌گونه رفتار کنند که در آزمایشگاه پیش‌بینی شده است. حذف موتور یعنی حذف جرم، حذف کابل‌کشی، حذف امکان خرابی مکانیکی و کاهش شدید هزینه پرتاب.

چهار ساعت و بیست‌وسه دقیقه پس از آغاز راهپیمایی، مرکز کنترل مأموریت گزارش داد که آرایه در حال باز شدن است. حدود دوازده دقیقه بعد، پنل کاملاً گسترده شده بود و نیمی از پنل قدیمی و بزرگ‌تر را زیر خود گرفته بود.

صد راهپیمایی؛ یک تاریخ مهندسی

نخستین راهپیمایی آمریکا از هواپند کوئست در ۲۰ فوریه ۲۰۰۲ توسط کارل والز و دانیل برش انجام شد؛ مأموریتی که بیشتر به آزمایش سامانه‌های خود هواپند گذشت. از آن زمان تاکنون، ۲۸۵ راهپیمایی برای مونتاژ، نگهداری و ارتقای ایستگاه انجام شده است؛ ۶۶ مورد از بخش روسی و ۱۱۹ مورد توسط خدمه شاتل‌های مهمان. این عدد، معیاری از عمر طولانی و پیچیدگی فنی سازه‌ای است که بیش از ربع قرن در مدار پایین زمین کار کرده است.

افق: خروج کنترل‌شده از مدار

برنامه‌ریزی فعلی، بازنشستگی و خروج کنترل‌شده ایستگاه از مدار را برای سال ۲۰۳۰ در نظر گرفته است. چنین عملیاتی به انرژی فراوان نیاز دارد: پیشرانه‌هایی که باید توده عظیم ایستگاه را در زمان‌بندی دقیق به سمت جو هدایت کنند تا بقایای آن در نقطه‌ای امن از اقیانوس فرود آید. بخشی از افزایش توان الکتریکی نیز به همین هدف اختصاص دارد.

منون و کوتریک قرار است در ۵ نوامبر دوباره بیرون بروند تا هشتمین و آخرین آرایه غلتان را نصب کنند و فرایندی پنج‌ساله را کامل کنند. منون در پایان مأموریت گفت که بیرون از ایستگاه همیشه آفتاب است و آنچه در این بیست‌وشش سال انجام شده، از نگاه او شگفت‌انگیز است. این جمله توصیف خوبی از مهندسی فضایی است: کار در محیطی بی‌رحم، با ابزارهایی که باید پیش از پرتاب بارها اثبات شده باشند، و نتیجه‌ای که هر روز از مدار پایین زمین برای ما داده می‌فرستد.