یک سلول خورشیدی که در فضاپیما استفاده می‌شود، از پلیمر حساس به دمایی استفاده می‌کند که مساحت سطح این صفحه را به اندازه‌ی ده برابر در عرض ۴۰ ثانیه بزرگ تر می‌کند.

یک اسباب بازی الهام بخش این طرح جدید در مورد سلول خورشیدی بوده تا بتواند بر روی فضاپیما، به طور فشرده چندین تا خورده و هر زمان لازم باشد سریعاً باز شود. این ساختار تا ده برابر در چهل ثانیه بدون نیاز به هیچ منبعی باز می‌شود. در عوض از یک پلیمری استفاده شده که به ازای تغییرات دمایی از خود پاسخ نشان می‌دهد. از این مفهوم می‌توان در دیگر وسایلی که در آن‌ها از ساختارهای شبه-‌ورقه‌ای که تغییرات چشم‌گیر و سریع در شکل خود دارند، همچون چادر یا سایبان سقف، نیز استفاده کرد.

ورقه‌ها و غشاهایی که از شکل‌های فشرده‌ی چندلایه به روش اریگامی‌مانند افراشته می‌شوند، ساختارهای قابل گسترش (deployable structures) نامیده شده و کاربردهای گسترده‌ای در کشاورزی، تولید انرژي و روباتیک دارند. آن‌ها در طبیعت برای مثال در بال حشرات و در برگ های داخل جوانه یافت می‌شوند. ساختارهای قابل گسترش مصنوعی معمولاً از ورقه‌های نازک و انعطاف‌پذیر ساخته می‌شوند و بازشدن آن‌ها می‌تواند با چارچوب‌های مکانیکی که ورقه‌های تازده شده را باز می‌کنند، تحت تاثیر قرار گیرد.

کریستینا شیا (Kristina Shea) از موسسه فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ و کیارا دارایو (Chiara Daraio) از موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا در پاسادنا و همکارانش در پی توسعه‌ی ساختار قابل گسترشی بوده‌اند که سریعاً و بدون نیاز به توان خارجی باز شود. شیا و تیان چن از اعضای تیم و دانشجوی فارغ التحصیل ETH پیش‌تر موفق به ساخت ساختار مکانیکی شده‌اند که شکل آن در پاسخ به دما با استفاده از یک پلیمر موسوم به پلیمر با حافظه‌ی شکلی (shape-memory polymer) تغییر می‌کند [1]. پایین تر از یک دمای بحرانی، ماده سفت است؛ بنابراین می‌توان آن را وقتی گرم است خم کرد و سپس با خنک‌سازی، آن را در یک ساختار ویژه قفل کرد. در دماهای بالا این ماده نرم‌تر شده و به حالت قبلی خود باز می‌گردد. پژوهش‌گرانِ دیگر از این مواد برای ساخت ورقه‌هایی که خود را در درون جعبه‌ها، هرم‌ها و دیگر اشکال در پاسخ به تغییرات دمایی تا می‌کنند، استفاده کرده‌اند [2].

قطعه‌ای که این تیم ایجاد کرده چارچوبی صلب دارد که از اتصالات لولایی ساخته شده است. اتصالات از سازوکاری بهره می‌برد که توسط مهندس چانک هوبرمن (Chuck Hoberman) برای استفاده در معماری تغییر شکل استفاده می‌شود. این طرح، مشابه کُره‌ی موسوم به هوبرمن است که بصورت اسباب بازی فروخته می‌شود: وقتی بسته است یک گلوله‌ی فشرده را تشکیل می‌دهد اما به هنگام باز شدن به توپ کُره‌ای بسیار بزرگتری تبدیل می‌شود.

بازشدن به سوی خورشید. ورقه‌ای پلیمری که نشان می‌دهد یک سلول خورشیدی از یک شکل تاخورده (شکل کوچک) به یک صفحه‌ی صاف با ده برابر افزایش سطح باز می‌شود. این فرآیند مستقل بدون نیاز به منبع توان است؛ کاری که تنها به بالا رفتن دما نیاز دارد.

با این حال، این ساختار جدید از چارچوب دایروی به جای کروی استفاده کرده است که ورقه‌ای صفحه‌مانند را نگه می‌دارد. این ورقه بر اساس اصلی موسوم به چین اریگامیِ «فلاشر» تا می‌خورد (که توسط یکی از اعضای تیم در گذشته استفاده شده است [3]) که در آن چروک‌های موازی به آن این اجازه را می‌دهد تا در درون یک مارپیچ فشرده که تا حدودی یادآور الگوی گلبرگ گل رز است فشرده شود. پژوهش‌گران قادر بوده‌اند تا به ساختاری با فشردگی پربازده و سریعاً بازشونده دست یابند که با بهینه‌سازی‌های محاسباتی انجام گرفته است؛ الگویی که‌ به بهترین شکل با ۲۰ لولای هوبرمن ساخته می‌شود.

این تیم لولا و ورقه‌ی نازک را از پلیمر حافظه ساخته‌اند. آن‌ها این ورقه را تا کرده و از حالت فشرده‌ی در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد (بالاتر از دمای گذار ۳۵ درجه) لولا کرده‌اند که با سردشدن تا دمای اتاق قفل می‌شود. با گرم شدن در آبِ ۴۰ درجه سانتی‌گراد این ساختار دوباره باز شده است. یک بازشدگی کامل ورقه‌ای به قطر ۷۹ سانتی‌متر که از درون شی‌ای فشرده تنها به اندازه‌ی ۲۵ سانتی‌متر می‌آید: حدود ده برابر افزایش سطح. جمع‌شدن این ورقه تنها ۴۰ ثانیه طول می‌کشد. برای کاربردهای سلول خورشیدی میتوان از پلیمر ورقه‌ای استفده کرد که از پلیمرهای حافظه ساخته شده‌ و با یک ماده‌ی فوتوولتایی پوشیده شده‌اند اگرچه به گفته‌ی شیا، ممکن است مواد با حافظه‌ی شکلی فوتوولتاپی نیز ابداع شوند.

به گفته‌ی شیا، برای استفاده در فضا عمل گسترش ساختار تنها با گرم‌شدن در نتیجه‌ی جذب تابش خورشیدی می‌تواند شروع شود. به شرط آن‌که از پلیمرهایی با حافظه‌ی شکلی استفاده کرد که در دماهای متناسب در فضا سویچ‌زنی کنند. می‌توان سیستم جمع‌شده را در زیر دمای گذار آن نگه داری کرد تا زمانی که در خارج از فضاپیما برده شود؛ جایی‌که با تابش خورشیدی گرم شده و منبسط شود.

به گفته‌ی شیا کاربردهای زیادی را می‌توان برای ساختارهای قابل گسترش مستقل شبیه این متصور شد. برای مثال «یک ساختار قابل گسترش در محیطی دشوار یا از راه دور یا یک آینه در آرایش تلسکوپی» می‌توان استفاده کرد. به گفته‌ی وی در مقیاس‌های کوچک‌تر، مواد فعالی که با مکانیک اریگامی ترکیب می‌شوند را می‌توان برای تحویل داروی هدف‌دار در درون بدن انسان استفاده کرد.

به گفته‌ی ماسیمیلیانو جی (Massimiliano Gei) از دانشگاه کاردیف در انگلستان، این پژوهش می‌تواند راه‌های جدیدی را به منظور انرژی در مهندسی هوافضا باز کند؛ جایی‌که وجود قطعات سبک بسیار اهمیت دارد تا وزن کل کمینه شود. فرانسیسکو لوپز (Francisco Lopez Jimenez) که بر روی ساختارهای قابل گسترش در فضا و در دانشگاه کلورودا در بولدر کار می‌کند موافق است که حذف منابع توان خارجی در چنان طرح‌هایی احتمالاً به کاهش جرم بیانجامد. بعلاوه احتمال از دست دادن عنصر در طی این گسترش کاهش می‌یابد».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو اپلاید منتشر شده است.

نویسنده:

فیلیپ بال نویسنده‌ی آزاد علمی در لندن است. کتاب اخیر وی «چگونه یک انسان را رشد دهیم» است.

مواخد:

1. T. Chen and K. Shea, “An autonomous programmable actuator and shape reconfigurable structures using bistability and shape memory polymers,” 3D Print. Addit. Manuf. 5, 91 (2018).
2. Qi Ge, C. K. Dunn, H Jerry Qi, and Martin L Dunn, “Active origami by 4D printing,” Smart Mater. Struct. 23, 094007 (2014).
3. R. J. Lang, S. Magleby, and L. Howell, “Single degree-of-freedom rigidly foldable cut origami flashers,” J. Mechanisms Robotics 8, 031005 (2016).

منبع:

Folded Solar Panel Opens Without Power Source