انقر هنا لمشاهدة فيديو "ملخص مرئي" لهذا الاختراع.
اختراعات علي پور أحمد | التصنيف: اختراعات جديدة في العالم | ذات صلة: الاكتشافات العلمية والاختراعات التكنولوجية
تخزين الطاقة على المدى الطويل خلال الفترة السينودسية (أسبوعين من النهار القمري وأسبوعين من الليل القمري) على القمر باستخدام نظام تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
◉ المقدمة والأهداف:
في هذه المقالة سوف نشرح بشكل مختصر اختراع نظام تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية وإعادة تدويرها إلى كهرباء لحل مشكلة تخزين الطاقة على المدى الطويل على القمر.
تختلف مدة النهار الكامل والليلة الكاملة على القمر اختلافًا جذريًا من حيث الوقت ودرجة الحرارة مقارنةً بالأرض. شكّلت هذه الاختلافات تحدياتٍ جسيمة لعقود، مما حدّ من إقامة البشر على القمر، ومنع وكالات الفضاء من تحقيق النتائج المرجوة من مشاريع بحثية باهظة التكلفة. في السنوات الأخيرة، ورغم إمكانية إرسال روبوتات مزودة بالذكاء الاصطناعي والتحكم عن بُعد، إلا أن اهتمام البشر بالإقامة طويلة الأمد والعودة إلى القمر يتزايد يومًا بعد يوم، ولهذا السبب، لا يزال باحثو الفضاء وعلماء الفيزياء الفلكية والمهندسون الذين يطورون صناعات الفضاء يبحثون عن أفضل الحلول لإمكانية العيش طويل الأمد على القمر.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
من الواضح أن الإقامة طويلة الأمد على القمر غير ممكنة حاليًا نظرًا لعدم القدرة على تخزين الطاقة لفترات طويلة، ولكن طُرحت حلول، مثل استخدام مفاعل انشطار نووي صغير على القمر. وبالطبع، يتطلب هذا الحل أيضًا تطويرًا وجدولًا زمنيًا أطول نظرًا للقدرة المحدودة جدًا لتوليد الكهرباء على هذا النطاق الصغير، والتي تتمثل في توفير كهرباء مستمرة وعالية الجهد لمحطة كبيرة خلال ليلة قمرية طويلة على سطح القمر. وكما صرّح البروفيسور نيل ديغراس تايسون (عالم فيزياء فلكية، وأستاذ في جامعة هارفارد، ومدير قبة هايدن الفلكية في نيويورك) في مقابلته، فإن "هذا المفاعل النووي الجديد المصمم للاستخدام في الفضاء وعلى سطح القمر قادر على إنتاج 100 كيلوواط فقط من الكهرباء". تجدر الإشارة إلى أن هذا أقل بنحو 9 مرات من الكهرباء المطلوبة لتشغيل مجفف الشعر النموذجي، ويبدو أن هذا ليس هدفًا يرغب برنامج الفضاء أرتميس (الذي يهدف إلى السفر إلى القمر) بقيادة وكالة ناسا أو أي برنامج لوكالة فضاء أخرى في إنفاق الكثير من المال لجعله جاهزًا للتشغيل.
لفهم هذا التحدي بشكل أفضل، أعتقد أنه من الضروري الإشارة إلى أن درجة حرارة القمر يمكن أن تتراوح من 250 درجة فهرنهايت (120 درجة مئوية) كحد أقصى عند خط استوائه إلى -208 درجة فهرنهايت (-130 درجة مئوية) في الليل خلال اليوم القمري، وبالطبع يمكن أن تنخفض درجة الحرارة عند قطبي القمر أكثر من ذلك. عند تحديد اليوم، فإن الوقت بين الظهرين أو غروب الشمس هو معيار القياس، وكما نعلم، فإن هذا الوقت على الأرض هو 24 ساعة، ولكنه على القمر هو 708.7 ساعة (29.53 يومًا أرضيًا)، وهو ما يسمى بالفترة السينودسية. بالنظر إلى الفترة السينودسية، يمكننا أن نرى أن يومًا قمريًا واحدًا وليلة قمرية واحدة على القمر يعادلان تقريبًا 14 يومًا أرضيًا. الفترة السينودسية أطول بحوالي 2.2 يوم من الفترة الفلكية للقمر.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
وفقًا للبيانات العلمية، فإن الأرض مائلة بزاوية 23.4 درجة وتدور حول محورها بسرعة تقارب 1670 كم/ساعة. لذلك، يجب أن يحدث دوران كامل ليوم فلكي كامل على الأرض، وهو ما يعادل 23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوانٍ. يتم إجراء هذا القياس للوقت في اليوم الفلكي باستخدام نجم بعيد (غير الشمس) كنقطة مرجعية، وهذا هو الوقت الذي دار فيه النجم حول الأرض مرة واحدة. هذا بينما يدور القمر حول الأرض بسرعة 1.022 كم/ثانية ويكمل مداره الإهليلجي كل 27.3 يومًا أرضيًا تقريبًا. يتم الحصول على وقت دوران القمر حول نفسه بحلول الوقت الذي يكمل فيه دورة مدارية واحدة حول الأرض من خلال عملية تسمى الدوران المتزامن أو القفل المد والجزر، ولهذا السبب من وجهة نظرنا على الأرض، نرى دائمًا جانبًا واحدًا فقط من القمر.
الآن نفهم بشكل أفضل أن الإقامة الدائمة أو المؤقتة في الليالي القمرية الـ 14 في ظلام دامس عند درجة حرارة تقارب 200 درجة تحت الصفر تتطلب مصدر طاقة موثوقًا ومستقرًا، وليس مفاعل انشطار نووي بقوة محدودة تبلغ 100 كيلوواط من الكهرباء. من ناحية أخرى، نظرًا للتغيرات في الخصائص الكيميائية ومن ثم البنية الفيزيائية حتى للجيل الجديد الأكثر تقدمًا من البطاريات الحالية، لم تحقق أي بطارية حتى الآن القدرة على تخزين الكهرباء عند درجة حرارة 200 درجة تحت الصفر لفترة طويلة. لذلك، فإن فكرة تخزين الكهرباء المولدة بواسطة الألواح الشمسية خلال يوم قمري (14 يومًا أرضيًا) في بطارية لاستخدامها خلال ليلة قمرية (14 ليلة أرضية) غير مجدية، وهو بالطبع غير ممكن للبشر الاستقرار في محطة فضائية تعتمد بشكل كبير على الكهرباء. لحل هذه المشكلة، صممتُ فكرة "مولد القمر"، وهو نظام لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية، بهدف تخزين الطاقة على المدى الطويل لاستهلاكها خلال ليلة قمرية مدتها 354 ساعة. يُشرح هذا بالتفصيل في قسم الوصف الفني من هذه المقالة، حيث نتناول آلية عمل "مولد القمر" وبنية هذا النظام.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
◉ الوصف الفني للاختراع:
بسبب عدم وجود غلاف جوي، يستقبل القمر ضوء الشمس دون ترشيح أو تقليل الإشعاع على سطحه. هذا يعني أنه حتى في أقصى أفق زاوية (موقع الشمس عند غروبها أو شروقها)، تكون شدة امتصاص واستقبال الإشعاع مساوية لشدة الامتصاص والاستقبال عندما تكون الشمس فوق القمر مباشرة. تتيح هذه الإمكانية للألواح الشمسية تحقيق أعلى كفاءة في امتصاص ضوء الشمس طوال الأيام القمرية الأربعة عشر دون أي ترشيح جوي، وهي نقطة مهمة في توليد الكهرباء باستخدام الألواح الشمسية. ومع ذلك، مع حدوث غروب كامل وظلام دامس في الليلة القمرية الرابعة عشرة، يجب تخزين الكهرباء المولدة خلال النهار في نظام ميكانيكي كمخزن للطاقة. وقد أطلقتُ على هذا النظام المبتكر اسم "مولد القمر" كبديل في حالة استحالة استخدام بطارية في درجة حرارة سطح القمر المنخفضة جدًا.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
صُمم هيكل نظام تحويل الطاقة الشمسية إلى ميكانيكية مع مراعاة عوامل إمكانية الإرسال من الأرض، وإمكانية النشر على سطح القمر، ومقاومة سبائك هيكل الجسم لدرجات الحرارة المنخفضة جدًا. وبناءً على ذلك، وكما هو موضح في الصور والفيديو في نهاية هذه المقالة، صممتُ الهيكل الخارجي لكل "مولّد قمر" بشكل أسطواني بهدف التوافق الفيزيائي مع منصة الإطلاق والاتصال بصواريخ الإطلاق، وتقليل معامل عدم الاستقرار الديناميكي الهوائي، والحفاظ على قوة دفع الهيكل عند السرعات العالية جدًا والضغط الجوي، وتقليل معامل الاحتكاك، والتحكم في معاملي الدفع والسحب عند دخول الغلاف الجوي للأرض والخروج منه. يُساعد هذا التصميم وكالات الفضاء على تنفيذ هيكلين أو ثلاثة هياكل أسطوانية "لمولّد القمر" باستخدام صاروخ واحد وفي مرحلة إطلاق واحدة، مما يُؤدي إلى انخفاض كبير في تكلفة الإرسال وجدولة المشاريع.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
كل أسطوانة من أسطوانات "مولّد القمر" مُجهزة بقاعدة قابلة للطي، تُعنى، بعد هبوطها على سطح القمر، بتثبيت "مولّد القمر" بزاوية 45 درجة على سطح التوصيل. ونظرًا لانخفاض جاذبية سطح القمر، والتي تُعادل سدس جاذبية الأرض، وتبلغ حوالي 1.6 متر مربع في الثانية، فإن توصيل القاعدة بالمولد لا يتطلب تعقيدًا في النشر والموازنة نظرًا لانخفاض وزن الهيكل على سطح القمر، كما يُمكن تنفيذ المراحل الميكانيكية لفتحه ونشره من خلال التحكم عن بُعد بواسطة روبوت ذكي، أو من خلال التركيب الدقيق بواسطة إنسان. تجدر الإشارة إلى أن حجم أبعاد "مولّد القمر" في الصور والفيديوهات المُرفقة بهذه المقالة أكبر قليلًا من الفكرة الأصلية، التي صممتها كرسوم متحركة ثلاثية الأبعاد، مما يُتيح التعبير عن المخطط العام والتفاصيل الداخلية لكل أسطوانة بشكل أوضح بصريًا. ولذلك، إذا تم تنفيذ هذه الفكرة، فإن الأبعاد الحقيقية لكل أسطوانة "مولد القمر" ستكون أصغر من الصور ثلاثية الأبعاد في هذه المقالة.
يتكون المولد القمري من: هيكل واقٍ معدوم الضغط، ومولد لتوليد الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء، وحجرة واقية مزودة بتسعة تروس هجينة لنقل وتحويل السرعة وعزم الدوران، ومضخة هيدروليكية قابلة للتمدد والانكماش مزودة بسبعة أذرع ميكانيكية خطية، وقضيب مرن من البريليوم. تتميز المولدات الكهربائية في الفضاء بتحمل أحمال معدوم الضغط ودرجات حرارة عالية ومنخفضة ومتغيرة خارج الغلاف الجوي، وبناءً على هذه الخاصية، تتميز سبيكة المواد التي يتكون منها المولد الفضائي بقوة عالية وموصلية كهربائية ومقاومة ممتازة للتعب، بالإضافة إلى خصائص فيزيائية عالية من المرونة والليونة. لهذا السبب، استخدمتُ مولدًا فضائيًا بالخصائص المذكورة أعلاه لوضع المولد الكهربائي في "مولد القمر".
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
خلال اليوم القمري الذي يستمر أسبوعين على القمر، تستقبل الألواح الشمسية حرارة أشعة الشمس وتوفر الكهرباء اللازمة للاستهلاك على جزأين. الجزء الأول والرئيسي هو الأجهزة الإلكترونية والحيوية الموجودة على متن المحطة، أما الجزء الثاني، وهو الإنتاج الفائض، فيُستخدم لتشغيل "المولد القمري". بمعنى آخر، بدلاً من تخزين الكهرباء في بطارية (وهو أمر مستحيل عند درجة حرارة تقارب 200 درجة فهرنهايت تحت الصفر)، يُخزن هذا الفائض من الكهرباء كطاقة ميكانيكية بواسطة المولد. تعمل مضخة هيدروليكية على تشغيل المولد خلال اليوم القمري الذي يستمر أسبوعين، حيث تضغط قضيب البريليوم الزنبركي إلى أقصى طاقته. ويكتمل هذا الضغط تدريجيًا على مدار 354 ساعة من اليوم القمري.
◉ انقر على أي من صور المعرض أدناه للتكبير:
كما هو موضح في الفيديو في نهاية هذه المقالة، فإن المضخة الهيدروليكية مزودة بـ 7 أذرع أسطوانية تتحرك في خط مستقيم. يتم فصل هذه الأذرع عن بعضها البعض بواسطة الضغط المطبق من تروس علبة التروس الهجينة، مما يؤدي إلى ضغط قضيب البريليوم وعصره. مع استمرار ضغط المضخة ومقاومة مادة قضيب الزنبرك، المصنوعة من سبيكة نحاس البريليوم ASTM B197، يستهلك المولد بذكاء المزيد من الطاقة لإنشاء عزم دوران أقوى في علبة التروس الهجينة. تستمر هذه العملية ببطء على مدار يومين قمريين حتى يتم فتح جميع الأذرع الأسطوانية السبعة للمضخة في خط مستقيم ويكون قضيب الزنبرك الذي يخزن الطاقة الميكانيكية في أقصى حالة ضغط وانكماش. عند هذه النقطة، تمكنا من تخزين طاقة الألواح الشمسية في قضيب البريليوم كطاقة ميكانيكية مرنة لأي استخدام آخر.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
أحد أسباب استخدامي لسبائك النحاس البريليوم ASTM B197 لتركيب قضيب الزنبرك هو مرونتها العالية للغاية وقابليتها للسحب، بالإضافة إلى متانتها من حيث الخواص المعدنية (قدرة المادة على امتصاص الطاقة والتشوه البلاستيكي قبل حدوث الكسر). تمنع هذه الخواص الفريدة القضيب من أن يصبح هشًا وينكسر في درجات حرارة عالية جدًا أو منخفضة جدًا على سطح القمر. يتميز نحاس البريليوم ASTM B197 بخصائص مثل القوة العالية والتوصيل الكهربائي ومقاومة التعب الممتازة والخصائص الفيزيائية العالية في درجات الحرارة الحرجة خارج الغلاف الجوي لأنه يتمتع بالقدرة على الحفاظ بسهولة على الخواص الميكانيكية حتى درجات الحرارة المنخفضة جدًا (أقل من -328 درجة فهرنهايت أو -200 درجة مئوية)، وهو ما كنت بحاجة إليه لإكمال فكرتي على القمر. بالإضافة إلى هذه الخاصية المناسبة، يتميز نحاس البريليوم ASTM B197 أيضًا بخصائص غير مغناطيسية وغير شرارة، مما يجعله مناسبًا لحالات الطوارئ أو الحوادث غير المرغوب فيها في الفضاء. ولهذا السبب يُعرف النحاس والبريليوم ASTM B197 ويُستخدم كمادة أساسية في صناعات الفضاء والتبريد العميق والأجهزة الدقيقة.
بعد أقصى انكماش لقضيب زنبرك البريليوم وبداية فترة 14 يومًا من الظلام والبرد المميت لليلة القمر الطويلة على القمر، فقد حان الوقت الآن لاستخدام تخزين الطاقة الميكانيكية لتوليد الكهرباء اللازمة. في هذه المرحلة، من خلال تحرير قفل عودة المضخة الهيدروليكية إلى موضعه الأصلي وبسبب المرونة العالية للغاية ومتانة قضيب البريليوم النحاسي، تخضع الأذرع الأسطوانية السبعة للمضخة لميل قوي من البريليوم النحاسي لإعادة التمدد وتبدأ الأذرع الميكانيكية في الانكماش. مع انكماش الأذرع الأسطوانية السبعة تدريجيًا خلال الليالي القمرية الـ 14، يستمر صندوق التروس الهجين في الدوران في الاتجاه المعاكس، ومن خلال تحويل ونقل عزم الدوران إلى التروس الأصغر لعلبة التروس، يتسبب في دوران عمود المولد بسرعة عالية وينتج في النهاية كهرباء مستمرة للانتقال خلال فترة الليل القمري.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
كما هو موضح في الصور والفيديو في هذه المقالة، فقد صممتُ محطة الطاقة على القمر بدون مأوى، وذلك لتسهيل فهم التصميم التفصيلي والشامل لمختلف أجزائها وكيفية عمل النظام. ولتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في متانة المواد، يُمكن وضع قسم منفصل من الألواح الشمسية في مأوى مغلق مزود بنظام تحكم ذكي في درجة الحرارة. وبهذه الطريقة، يُقلل الضرر الناتج عن تغيرات درجة الحرارة على مكونات المولد والمضخة وقضيب البريليوم إلى النصف، ويزيد ضمان استمرار كفاءة إنتاج الكهرباء على القمر. ويمكن لنظام التحكم في درجة الحرارة في هذا المأوى استخدام فائض إنتاج الكهرباء الأساسي لتوليد الحرارة أو البرودة في كل يوم قمري.
لطالما كان بناء محطة على القمر دون القلق بشأن إنتاج الطاقة أحد أحلام البشرية. من المستحيل وغير المبرر بالتأكيد استخدام إمكانات ضوء الشمس غير المفلتر على مسافات أبعد، سواء داخل النظام الشمسي أو خارجه، ويجب الارتقاء بتطوير تقنية الانشطار النووي إلى مراحل أكثر كفاءة لتمكين إنتاج المزيد من الطاقة والجهد للاستخدام في أعماق الفضاء وفي الظلام الدامس. ومع ذلك، فإن ما أعاق حتى الآن تقدم مشاريع البحث على القمر هو تحدي الحد من الإقامة طويلة الأمد بسبب عدم وجود حل مناسب لاستخدام الإشعاع الشمسي القوي للغاية وإنتاج طاقة مستمرة. لذلك، يمكن للفكرة الجديدة التي قدمتها أن تقلل من نسبة المخاطر المالية من حيث التكلفة والميزانية، وأن تكون مبررة للمستثمرين في برامج أبحاث الفضاء، ومن حيث هندسة التنفيذ، لديها القدرة على تنفيذها على القمر في أبعاد مختلفة.
◉ الاختراع: تخزين الطاقة الكهربائية على المدى الطويل في محطة طاقة على القمر
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
وكما هو الحال مع الاختراعات الأخرى، يتمتع هذا الاختراع أيضًا بالقدرة على التطوير والتحسين بشكل أكبر، ومن خلال بناء محطات الطاقة هذه، يمكنه أن يقدم مساهمة كبيرة في إزالة القيود التي تحد من الإقامة الطويلة الأمد على القمر.
نهاية المقال//
◉ فيديو لتخزين الطاقة على المدى الطويل خلال الفترة السينودسية على القمر باستخدام نظام تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية / التصنيف: اختراعات بواسطة علي بورأحمد
◉ صانع الرسوم المتحركة لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ ملحن الموسيقى لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ الراوي: علي بورأحمد
◉ اللغة: الانجليزية
◉ الترجمة: لا يوجد
نبذة عن المخترع ومؤلف هذه المقالة:👇
مقالات عن الاختراعات العلمية المتعلقة بالفضاء :
◉ اختراع بالونات ذات ضغط عالي (صفر ضغط) ذات قدرة مقاومة للحرارة لتحمل أشعة الشمس
◉ الاختراعات العلمية علي پورأحمد
◉ أفلام الخيال العلمي علي پورأحمد
◉ جوائز علي پور أحمد
◉ لوحات للفنان علي پورأحمد
◉ موسيقى علي بورأحمد الآلية
إعلان
