نصب آرایه‌های خورشیدی جدید در ایستگاه فضایی بین‌المللی

ایستگاه فضایی بین‌المللی (International Space Station) یکی از پیچیده‌ترین سازه‌های مهندسی ساخته دست بشر است و همه سامانه‌های آن، از رایانه‌ها و آزمایشگاه‌ها تا سامانه‌های پشتیبانی حیات، به جریان برق پیوسته و پایداری وابسته‌اند که باید در شرایط سخت مدار نزدیک زمین تأمین شود. در روز بیست‌ونهم اکتبر، جاشوا کوتریک، فضانورد آژانس فضایی کانادا و از افسران نیروی هوایی سلطنتی این کشور، به همراه آنیل منون، فضانورد ناسا، یک پیاده‌روی فضایی حدوداً شش ساعت و چهل‌وپنج دقیقه‌ای را در بیرون ایستگاه انجام می‌دهد تا هفتمین و هشتمین آرایه خورشیدی نوردشده ایستگاه فضایی بین‌المللی نصب شوند.

چرا ایستگاه به برق بیشتری نیاز دارد

آرایه‌های خورشیدی اصلی ایستگاه از نخستین سال‌های سده بیست‌ویکم در مدار قرار گرفته‌اند و بیش از دو دهه در معرض شرایط خشن فضایی بوده‌اند. در مدار نزدیک زمین، سامانه‌های خورشیدی نه‌تنها زیر تابش پیوسته فرابنفش و ذرات پرانرژی قرار دارند، بلکه در هر چرخه مداری دست‌کم یک بار از گرمای آفتاب به سرمای سایه زمین می‌رسند. این چرخه‌های حرارتی مکرر، همراه با برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها و زباله‌های مداری، به‌تدریج ساختار سلول‌ها و اتصالات الکتریکی را فرسوده می‌کند. نتیجه این فرسایش، افت تدریجی توان خروجی است؛ پدیده‌ای که در همه سامانه‌های فتوولتائیک، حتی روی زمین نیز شناخته‌شده است.

ایستگاه فضایی در حال حاضر حدود ۱۶۰ کیلووات توان تولید می‌کند. با نصب کامل هشت آرایه نوردشده، این عدد به حدود ۲۱۵ کیلووات افزایش می‌یابد؛ یعنی رشدی نزدیک به سی درصد. این افزایش صرفاً یک بهبود عددی نیست، بلکه امکان گسترش آزمایش‌های علمی، پشتیبانی از فضاپیماهای تجاری متصل به ایستگاه و آماده‌سازی زیرساخت‌های آینده را فراهم می‌کند.

آرایه نوردشده چگونه کار می‌کند

نکته هوشمندانه در طراحی آرایه‌های نوردشده این است که این سامانه‌های جدید روی آرایه‌های قدیمی نصب می‌شوند، نه به جای آن‌ها. آرایه‌های قدیمی ساختاری سبک و باز دارند و بخشی از نور خورشید از میان آن‌ها می‌گذرد یا به آن‌ها می‌خورد. آرایه جدید با پوشاندن بخشی از همان سطح، از نور باقی‌مانده بهره می‌گیرد و نیازی به ساخت سازه کاملاً تازه و صرف هزینه و جرم بسیار زیاد نیست.

هر آرایه در حالت جمع‌شده حدود سه متر طول دارد و نزدیک به ۳۴۰ کیلوگرم جرم دارد؛ اما در فضا وزن ظاهری آن تقریباً از میان می‌رود و مسئله اصلی، جرم یا اینرسی (inertia) و کنترل حرکت آن است. پس از باز شدن، طول آرایه به حدود شش متر می‌رسد. سازوکار باز شدن آن شبیه یک فنر اندازه‌گیری فلزی یا دستبند تاشو است: کششی که در ساختار ذخیره شده، آرایه را به‌آرامی و پیوسته باز می‌کند و کل فرآیند در حدود ده دقیقه انجام می‌شود.

فیزیک سلول خورشیدی در فضا

عملکرد این آرایه‌ها بر اثر فوتوولتائیک (photovoltaic effect) استوار است. وقتی فوتون نور با انرژی کافی به نیمه‌رسانا برخورد می‌کند، الکترونی را از نوار ظرفیت به نوار رسانش می‌برد و در محل پیوند میان دو نیمه‌رسانای نوع n و p، میدان الکتریکی داخلی این الکترون‌ها را جدا کرده و جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.

نور خورشید در فاصله زمین شدتی حدود ۱۳۶۱ وات بر متر مربع دارد. سلول‌های معمول سیلیکونی تنها بخشی از این انرژی را به برق تبدیل می‌کنند، زیرا فوتون‌های کم‌انرژی و پرانرژی هر دو به‌طور کامل جذب مفید نمی‌شوند. به همین دلیل، در فضا معمولاً از سلول‌های چندپیوندی (multi-junction) استفاده می‌شود که چند لایه نیمه‌رسانا با نوار ممنوعه متفاوت روی هم قرار می‌گیرند؛ هر لایه بخشی از طیف را جذب می‌کند و بازده نهایی به‌مراتب بیشتر از سلول‌های تک‌لایه می‌شود.

نقش کانادارم۲ و روباتیک فضایی

بخش بزرگی از این عملیات به بازوی روباتیک کانادارم۲ (Canadarm2) سپرده شده است. این بازو پیش‌تر آرایه‌ها را از بخش بار فضاپیمای باری دراگون برداشته و به ریل انتقال نزدیک محل نصب منتقل کرده و حتی برخی پیچ‌ها را شل کرده است. در روز پیاده‌روی فضایی، یکی از فضانوردان روی سکوی متصل به بازو می‌ایستد تا آرایه در دسترس او و همکارش قرار گیرد، و اپراتورهای داخل ایستگاه بازو را با دقت میلی‌متری به محل نصب می‌برند.

طراحی مسیر حرکت بازو بر پایه یک درس مهم از پیاده‌روی‌های پیشین انجام شده است: چرخاندن آرایه حول مرکز جرم خودش و نه حول بدن فضانورد. این تغییر ظاهراً کوچک، تنش وارد بر فضانورد را به‌شکل محسوسی کاهش می‌دهد و از خستگی زودهنگام جلوگیری می‌کند؛ موضوعی حیاتی در عملیاتی که فضانورد در لباس فضایی تحت فشار، با محدودیت حرکت و بدون امکان استراحت واقعی کار می‌کند.

چالش زمان‌بندی و نور خورشید

یکی از ظریف‌ترین بخش‌های این مأموریت، زمان‌بندی است. ایستگاه فضایی هر ۹۰ دقیقه یک بار زمین را دور می‌زند و در هر مدار حدود نیمی از زمان را در روشنایی و نیمی را در سایه زمین می‌گذراند. نصب و اتصال کابل‌های برق باید در بازه‌ای انجام شود که آن بخش از ایستگاه در سایه باشد، زیرا کابل‌های حامل جریان هنگام قرار گرفتن در آفتاب می‌توانند گرم و پرخطر شوند. پس از اتصال، یک جامپر (jumper) توان آرایه‌های قدیمی و جدید را به هم پیوند می‌دهد تا توان تولیدی به‌صورت یکپارچه در شبکه برق ایستگاه جاری شود.

پیاده‌روی فضایی دوم که قرار است چند روز بعد انجام شود، همان فرآیند را در سمت دیگر ایستگاه تکرار می‌کند. یک نکته جالب در این مرحله آن است که محل نصب نهایی دورتر از دسترس بازوی روباتیک قرار دارد؛ بنابراین فضانوردان با روشی موسوم به جهش قورباغی، سکو و ابزار را مرحله‌به‌مرحله جابه‌جا می‌کنند تا این فاصله نهایی را که روبات قادر به پوشش آن نیست، خودشان پر کنند.

اهمیت این مأموریت

این مأموریت نخستین پیاده‌روی فضایی کانادا پس از هفت سال است و به همین دلیل در این کشور اهمیت نمادین و راهبردی دارد. کانادا تنها حدود دو و نیم درصد از سهم مشارکت در ایستگاه فضایی بین‌المللی را دارد و در عمل هر پنج یا شش سال یک پرواز فضانوردی به آن تعلق می‌گیرد. به همین دلیل، هر مأموریت به فرصتی برای تقویت برنامه فضایی ملی و صنعت مرتبط با آن تبدیل می‌شود.

افزون بر این، افزایش توان الکتریکی ایستگاه فضایی بین‌المللی تنها یک تعمیر فنی نیست؛ این ایستگاه آزمایشگاهی برای آزمودن فناوری‌هایی است که در آینده در ایستگاه‌های مداری تجاری، پایگاه‌های ماه و سفرهای طولانی به مریخ به کار خواهند آمد. آرایه‌های خورشیدی سبک، قابل نصب با روبات و مقاوم در برابر فرسایش فضایی، یکی از کلیدهای اصلی هر مأموریت بلندمدت فراتر از مدار زمین‌اند. هر پیچی که در فضا باز یا بسته می‌شود، در واقع گامی در تمرین مهندسی زندگی و کار پایدار بیرون از سیاره ماست.