باتری جدید ماهواره با سازه چند منظوره
اکتشاف فضا همواره گران و پرهزینه بوده، بنابراین دانشمندان همواره در جستجوی تکنولوژی‌ها و روش‌هایی جدید هستند تا این هزینه را کمتر کنند. یکی از این روش‌ها سازه چند منظوره نامیده می‌شود که در انتهای دهه 1990 میلادی در آمریکا توسعه داده شد.
چند منظوره بودن یک مفهوم خلاقانه و بدیع که شامل توسعه و ساخت مواد و دستگاه‌های جدید است و با این روش مهندسان قادر هستند چندین عمل را در یک سیستم معین انجام دهند. سازه چند منظوره عملکردهایی که به طور قراردادی مستقل هستند را با هم ترکیب می‌کند؛ عملکردهایی نظیر سنجش، تحریک و راه‌اندازی، ذخیره انرژی و سازه ابتدایی ماهواره.
باتری با سازه چندمنظوره به عنوان نوع خاصی از سازه‌های چندمنظوره، ترکیبی از دستگاه ذخیره انرژی و سازه اولیه ماهواره است. با تعبیه کردن باتری در سازه اصلی ماهواره، اجزای بسته بندی سازه‌ای باتری و برخی المان‌ها مانند اتصالات، غیرضروی می‌شوند و بنابراین می‌توان آنها را حذف کرد.
در ضمن، از آنجا که باتریِ تعبیه شده در سازه اصلی قادر به تحمل بارهای سازه‌ای است، ممکن است قدری از سازه اولیه نیز حذف شود. بنابراین علاوه بر تامين توان، جرم کل و احتمالاً حجم ماهواره کاهش می یابد. انگیزه اصلی این پژوهش توسعه یک سازه ماهواره‌ای نو است که کارکردهای تحمل بار و ذخیره و عرضه توان را دارد؛ که باتری با سازه چند منظوره نامیده می‌شود.
اکنون دانشمندان یک باتری جدید با سازه چندمنظوره با استفاده از باتری‌های لیتیوم-یونی پلیمر ژلاتینی، کامپوزیتِ پلیمریِ تقویت‌شده‌ی فیبرِ کربن و فوم پلی‌متاکریلیمید طراحی کرده‌اند تا بتوانند جرم و حجم ماهواره‌ها را کاهش دهند. سپس در یک سری آزمایش متوالی ویژگی‌های مکانیکی و الکتریکی آن را تست کرده اند.
مواد
سلول‌های مورد استفاده در اين کار از نوع لیتیوم-یون پلیمر ژلاتینی هستند و در دانشگاه ملی تکنولوژی دفاعی طراحی و ساخته شده‌اند. برخلاف سلول‌های فضایی پرکاربردی نظیر باتری Cd-Ni، باتری H2-Ni و غیره، که الکترولیت مایع دارند و در یک محفظه فلزی استوانه‌ای قرار گرفته‌اند و بنابراین نسبتا سنگین هستند، سلول‌های GPLI الکترولیت‌های شبه جامد و بنابراین قابلیت تحمل بار خوبی دارند. به علاوه، امکان استفاده از آنها در ماموریت‌های فضایی ارزیابی شده و نتایج امید بخشی در پی داشته است.
از آنجا که سازه‌های کامپوزیتی تقویت شده فیبر کربن به علت داشتن مزایایی چون استحکام ویژه و سختی بالا و قابلیت طراحی قوی، به طور گسترده‌ای در صنعت هوافضا به کار گرفته می‌شوند، پارچه‌ی کربن/اپوکسی لایه لایه به عنوان ورق پوشاننده انتخاب شده است. ورق‌های پوشاننده از لایه‌های بافته شده مسطح فیبر کربنی ساخته شده‌اند.
پلی‌متاکریلیمید نوعی فوم با چگالی 75 کیلوگرم بر متر مکعب با کارایی و تطبیق‌پذیری فضایی خوب است، که می تواند ساخت سازه کامپوزیتی ساندویچی را به میزان قابل توجهی ساده کند و بهترین و بیشترین میزان مقاومت سازه‌ای مورد نیاز برای مقابله با انبساط باتری را فراهم آورد (این انبساط به علت اختلاف فشار بین درون و بیرون باتری GPLI ظاهر می‌شود)؛ با توجه به نکات ذکر شده پلی‌متاکریلیمید به عنوان هسته ساندویچ انتخاب شده است.
پیکربندی
پیکربندی و نحوه‌ی چینش باتری با سازه چندمنظوره‌ی پیشنهاد شده طوری است که سلول GPLI در سازه ساندویچی قرار داده شده و به عنوان بخش هسته ساندویچ استفاده می‌شود. از طرفی، کابل‌ها که سلول‌ها (به صورت سری یا موازی) و همچنین واحد کنترل توان و سایر تجهیزات متعلق به زیرسیستم توان ماهواره، را به یکدیگر متصل می کنند نیز در هسته ساندویچ قرار می‌گیرند.
از دیدگاه سازه‌ای، هسته ساندویچی باتری با سازه چندمنظوره میتواند لانه زنبوری، فوم یا مشبک باشد که با بالاترین نسبت استحکام به چگالی یا نسبت صلبیت به چگالی انتخاب می‌شود. برای سلول‌های لیتیوم تعبیه شده نیز، شکل قالب میتواند مطابق با فضای دورنی سازه ساندویچی به صورت منشوری یا نواری ساخته شود. ترکیب و پیکربندی، میتواند به صورت نوع صفحه تخت یا نوع دیگری و متفاوتی که با شکل سازه مطابقت دارد طراحی شود و بنابراین بالاترین میزان یکپارچه سازی وتلفیق بین سازه‌ها و باتری‌ها فراهم شود.
مکان‌ها و موقعیت‌ها میتواند برای تولید و فراهم کردن توان موضعی و خودکار در مکان‌های دور، در یک آرایش منظم یا کاملاً نزدیک به مصرف‌کننده توان، توزیع شود که به موجب آن کابل‌های انتقال توان سنگین به (و از) منابع توان متمرکز برای صرفه‌جویی در فضا و وزن حذف می‌شوند.
به منظور سنجش پتانسیل این طرح و ایده برای کاربرد ماهواره‌ای، باتری با سازه چندمنظوره به صورت نمونه اولیه تیر طراحی شده‌اند و در هر باتری با سازه چندمنظوره، یک باتری GPLI، در مرکز هندسیِ باتری با سازه چندمنظوره در کانال‌های فوم PMI قرار می‌گیرد و سپس بین یک لایه تخت از یک سو و لایه‌ی همگن در سوی دیگر پیوند برقرار می‌کند.
به منظور بررسی قابلیت‌های باتری معرفی شده تست‌هایی نظیر تست ارتعاشات برای بررسی قابلیت حفظ کارکرد و بقای مواد، خمش سه نقطه‌ای و تست فشار به منظور بررسی حداکثر دوام بارگذاری و تغییرشکل روی باتری انجام شده است. همچنین برای ارزیابی تاثیر ارتعاشات، خمش و فشار روی عملکرد سلول، قبل و بعد از بارگذاری مکانیکی، وارسی چرخه-عمر و ظرفیت نیز انجام شده است (از آنجا که باتری‌ها در طول پرتاب ماهواره کار نمی‌کنند، هیچ نوع تست الکتریکی در هنگام اعمال بارگذاری مکانیکی انجام نمی‌گیرد).
کاهش چشمگیر جرم و حجم
باتری با سازه چندمنظوره جدید یک ترکیب کامل از CFRP، فوم PMI و باتری GPLI را ارائه می‌دهد که موجب کاهش زیاد جرم و حجم ماهواره می‌شود و بنابراین بار محموله ماهواره میتواند به میزان قابل توجهی افزایش یابد.
نتایج حاصل از تست‌ها نشان می‌دهد که این باتری میتواند تحت تاثیر ارتعاشات ناشی از پرتاب فضاپیما به کار خود ادامه دهد و بار گذاری مکانیکی تا حد تحمل پوسته کامپوزیتِ پلیمریِ تقویت‌شده فیبرِ کربن یا فوم پلی‌متاکریلیمید موجب هیچ‌گونه کاهش عملکرد الکتریکی باتری لیتیوم-یونی پلیمر ژلاتینی نمی‌شود؛ و همه اینها بدان معنی است که طراحی انجام شده قابل اجرا و عملی است و بنابراين براي کاربرد ماهواره‌اي مناسب است. با انتخاب مکان و نحوه اتصال بهبود یافته و همچنین پروسه ساخت بهینه، قابلیت سلول GPLI برای تحمل کردن بارهای مکانیکی میتواند بازدهی بیشتر داشته و سودمندتر باشد. و بنابراین هدف ساخت ماهواره کوچکتر و سبک‌تر بهتر احراز می‌شود.
