فضاپیماهای آینده از باد و حرکت فضانوردان نیز برق تولید می‌کنند

 یک مطالعه جدید به رهبری یک تیم بین‌المللی از محققان، نانوژنراتورهای تریبوالکتریک(TENG) را به عنوان یک راه حل متحول کننده برای اکتشافات فضایی پیشنهاد کرده است.

نانوژنراتورهای تریبوالکتریک یا همان TENGها ژنراتورهای سبکی هستند که حرکت مکانیکی مانند ارتعاشات یا اصطکاک را به نیروی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌کنند.

محققان دانشگاه فنی لولئو(Luleå) در سوئد، دانشگاه خلیفه در امارات متحده عربی و دانشگاه کمبریج در بریتانیا می‌گویند که TENGها می‌توانند وابستگی به باتری‌های سنگین را کاهش دهند.

این تیم به طور خاص یک بررسی جامع از این انرژی خود-توان و راه‌حل‌های حسگر برای سیستم‌های فضایی نسل بعدی انجام داد.

این موضوع می‌تواند برای تبدیل انرژی مکانیکی محیط مانند ارتعاشات پرتاب، بادهای سیاره‌ای و حرکات فضانوردان به برق قابل استفاده مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

این قطعات که قابل چاپ، تاشو و فوق‌العاده جمع‌وجور هستند، می‌توانند درون یک تاسواره یا کیوب‌ست(CubeSat) قرار گیرند یا مستقیماً در دستکش یک فضانورد تعبیه شوند تا از هر حرکتش انرژی برداشت کنند.

شرایط دشوار فضایی

اکتشاف در اعماق فضا، سخت‌افزار را در معرض محدودیت‌های عملیاتی شدید، به‌ویژه نوسانات حرارتی عظیم، گرانش نزدیک به صفر و تابش با دوز بالا قرار می‌دهد که قطعات الکترونیکی قدرتی مرسوم را فلج می‌کند.

پنل‌های خورشیدی به نور خورشید نیاز دارند، باتری‌ها یخ می‌زنند یا وزن زیادی دارند و انرژی هسته‌ای نیز بسیار حجیم است.

این شکاف قدرت، محققان را به سمت TENGها سوق داده است که این موانع را با برداشت انرژی مکانیکی از ارتعاشات پرتاب، بادهای سیاره‌ای و حتی حرکت فضانورد دور می‌زنند.

این مطالعه می‌گوید TENGها یک راه‌حل سبک و مقاوم در برابر تابش ارائه می‌دهند که در جایی که الکترونیک معمولی ممکن است از کار بیفتد، رشد می‌کند.

این دستگاه‌ها که با مواد درجه فضایی مانند PTFE و گرافن طراحی شده‌اند، می‌توانند در برابر فشارهای مریخی و تابش شدید مقاومت کنند. علاوه بر این، تابش شدید خورشیدی در اعماق فضا به عنوان یک عامل تقویت‌کننده عملکرد عمل می‌کند، نه یک عامل بازدارنده.

جالب اینجاست که قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش شدید می‌تواند چگالی بار دستگاه را تا ۱۵۷ برابر افزایش دهد و یک تهدید زیست‌محیطی اولیه را به یک افزایش قدرت عظیم تبدیل کند.

کاربردهای مختلف TENGها

از آنجایی که TENGها هم خودشان را تغذیه می‌کنند و هم محیط خود را حس می‌کنند، این فناوری می‌تواند کابل‌کشی سنگین را تا ۳۰ درصد کاهش دهد که صرفه‌جویی قابل توجهی در وزن برای ماموریت‌های اعماق فضا است.

محققان نمونه‌هایی را آزمایش کردند که از تابش اشعه شدید جان سالم به در بردند و تقریباً هیچ افت عملکردی نداشتند. این دستگاه با استفاده از پلیمرهای فلوئوردار، گرافن و الاستومرهای خود ترمیم شونده ساخته شده است.

قابل توجه است که این دستگاه‌ها مقاوم بودند و پایداری خود را در دماهای بیش از ۲۶۰ درجه سانتیگراد حفظ می‌کردند و حتی پس از دوز تابش شدید، کمتر از ۵ درصد افت عملکرد نشان می‌دادند.

طبق بیانیه مطبوعاتی، این دستگاه‌ها جمع و جور و همه کاره هستند. یک قطعه به اندازه یک تمبر پستی بزرگ می‌تواند ۹۸ ولت را از تنها یک حرکت کوچک تولید کند.

در ماموریت‌های عملی، TENGها قبلاً تطبیق‌پذیری قابل توجهی را نشان داده‌اند. در یکی از این آزمایش‌ها، حسگرهای چتر نجات مجهز به این فناوری در یک محفظه ویژه، در برابر ۱۰۰ برخورد گرد و غبار مریخی مقاومت کردند.

برای ماموریت‌های سرنشین‌دار، نسخه‌های مبتنی بر هواژل که در لباس‌ها بافته شده‌اند، می‌توانند خروجی ۱۳۵ ولت از گام‌های فضانورد در طیف وسیعی از دما تولید کنند و داده‌های بیومتریک را به صورت بی‌سیم به پایگاه ارسال کنند.

کاربردهای این فناوری بسیار فراتر از تولید برق است. فراتر از مدار، شناورهای TENG آزمایش‌شده در قطب شمال حتی با موفقیت انرژی موج را برای راه‌اندازی چراغ‌های اضطراری جمع‌آوری کرده‌اند.

در حالی که بسیار امیدوارکننده است، گذار به کاربردهای فضای عمیق نیاز به توسعه بیشتر در کامپوزیت‌های سخت‌شده در برابر تابش و دوقلوهای دیجیتال با کمک هوش مصنوعی دارد.

آینده انرژی فضایی احتمالاً در معماری‌های هیبریدی نهفته است که TENGها را با ژنراتورهای خورشیدی و ترموالکتریک ترکیب می‌کنند تا منبع تغذیه مداوم برای زیستگاه‌های آرتمیس و فراتر از آن را تضمین کنند.

این مطالعه در مجله Nano-Micro Letters منتشر شده است.