ในปัจจุบันไฟฟ้าที่เราใช้กันทุกวันนี้มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ถ่านหิน เป็นส่วนใหญ่ แต่ก็มีพลังงานสะอาดอย่างพลังงานน้ำและพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเป็นส่วนน้อย แต่บน ISS เราไม่สามารถขนโรงไฟฟ้าถ่านหินขึ้นไปบนนั้นได้ พลังงานอย่างเดียวที่เรามีในอวกาศก็คือพลังงานแสงอาทิตย์ ISS จึงต้องพึงพลังงานแสงอาทิตย์เท่านั้นเพื่อแปลงมาเป็นไฟฟ้าให้ระบบต่าง ๆ บน ISS ทั้งระบบพยุงชีพ ระบบคอมพิวเตอร์การบิน ระบบระบายความร้อน ซึ่งแต่ระบบเหล่านี้ใช้พลังงานพอ ๆ กับบ้านเกือบ 40 หลังเลยทีเดียว วิศวกร ISS ออกแบบระบบไฟฟ้าบน ISS อย่างไรแล้วทำไหมระบบไฟฟ้าบน ISS จึงเป็นต้นแบบของระบบไฟฟ้าในอนาคต ติดตามได้ในบทความนี้
Photovoltaic Array บน ISS
เพราะว่าเราไม่สามาารถต่อสายไฟจากโลกขึ้นไปบน ISS ได้ ISS จึงต้องพึ่งไฟฟ้าที่หาได้เองเท่านั้น โดยการแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วย Photovoltaic หรือแผงโซลาร์เซลล์ ISS มีแผงโซลาร์เซลล์แบบพับเก็บได้รวมกัน 2 แผงเรียกว่า Solar Array Wing หรือ SAW โดยที 1 SAW มีโซลาร์เซลล์ประมาณ 33,000 เซลล์ ยาวประมาณ 35 เมตรเมื่อกางสุด ISS มีทั้งหมด 8 SAW โดยอยู่ข้างละ 4 SAW แต่ละ SAW สามารถผลิตไฟฟ้าได้สูงสุดประมาณ 31 kilowatt รวมทั้ง 8 SAW ประมาณ 240 kilowatts
แผงโซลาร์เซลล์ทุกแผงถูกติดตั้งโดยภารกิจกระสวยอวกาศโดยค่อย ๆ ติดทีละ SAW โดยที STS-119 เป็นภารกิจสุดท้ายที่ถูกหมอบหมายให้ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์บน ISS ซึ่งเป็นแผงสุดท้ายที่ต้องติดตั้ง หลังจากนั้นจึงกางแผงโซลาร์เซลล์ด้วยคำสั่งจากศูนย์ควบคุม การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์จึงเป็นอันเสร็จสิ้น Photovoltaic array ของ ISS มีพื้นที่รับแสงอาทิตย์กว่า 2,500 ตารางเมตรกับเซลล์ Photovoltaic อีกกว่า 262,400 เซลล์ ทั้งหมดนี้สามารถผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 84 ถึง 120 kilowatts สายไฟที่ต่อระบบไฟฟ้าของ ISS เนี่ยยาวกว่า 12.9 กิโลเมตรเลยทีเดียว และเพราะว่า ISS โคจรรอบโลกตลอดเวลา มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์จึงแตกต่างกันออกไปตลอดเวลา ISS จึงต้องมีระบบ Gimbal ไว้สำหรับหันแผงโซลาร์เซลล์ตามแสงอาทิตย์
ISS จึงมีแกน Gimbal ไว้สำหรับปรับมุมสองแกนคือ Alpha gimbal ใช้ในการปรับตัว Photovoltaic array ให้หันไปหาแสงอาทิตย์ ส่วน Beta gimbal เนี่ยหันมันทั้งสถานีเลยคือไปทั้งตัวใช้เวลาที่ Alpha gimbal ปรับสุดแล้วแต่ก็ยังหันไม่ถึง ซึ่ง Gimbal พวกนี้ยังเอาไว้ใช้ปรับ Operation mode ของ ISS ด้วย ตั้งแต่ โหมดตามแสงอาทิตย์ โหมด Night glider/Sun-slicer โหมด Drag-maximization
- Full Sun-tracking
- โหมดนี้ใช้เวลาที่ต้องการพลังงานสูงสุดโดยจะตามดวงอาทิตย์ทุกแกนเพื่อเพิ่มพื้นที่ตกกระทบของแสงอาทิตย์ให้มากที่สุด
- Night glider/Sun-slicer
- โหมดนี้ใช้ตอนกลางคืนเป็นส่วนใหญ่เพราะว่าตอนกลางคืนไม่มีแสงอาทิตย์ให้รับจึงไม่จำเป็นต้องหันแผงโซลาร์เซลล์ออกไปเพราะว่าการหันแผงโซลาร์เซลล์ออกไปในทิศทางตั้งฉากกับวงโคจรจะทำให้เกิดแรงเสียดสีระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และชั้นบรรยากาศบาง ๆ ทำให้ ISS เกิด Orbit decay หรือเสียความสูงเร็วขึ้น Night glider จึงเป็นการหัน แผงโซลาร์เซลล์ให้ขนานกับทิศทางวงโคจรเพื่อลดแรงเสียดสี
- ส่วนโหมด Sun-slicer เป็นโหมดที่เวลาสถานีไม่ได้ต้องการพลังงานสูงสุดและต้องการรักษาความสูงของวงโคจรไว้ในระดับนึง โหมดนี้จะปรับแผงโซลาร์เซลล์ให้เฉียงกับทิศทางของแสงอาทิตย์ ลักษณะคล้ายหันแสงอาทิตย์เลยเรียกว่า Sun-slicer ทำให้ได้พลังงานน้อยลงแต่ก็ลดแรงเสียดสีกับชั้นบรรยากาศได้เพิ่มขึ้น
- Drag maximization
- โหมดนี้เป็นโหมดที่จะ Deploy แผงโซลาร์เซลล์ในลักษณะตั้งฉากกับเส้นทางวงโคจรตลอดเวลาไม่เว้นตอนกลางคืนเพื่อเพิ่มแรงเสียดสีกับชั้นบรรยากาศให้มากที่สุด ใช้ในเวลาที่ ISS จำเป็นต้องลดวงโคจรลงเพื่อ Rendezvous กับยานเติมเสบียงที่มาจากโลก เพราะบางครั้ง ISS อาจจะยิงจรวดขับดัน Stationkeeper ขึ้นไปที่ความสูง 460 กิโลเมตรแต่ยานเติมเสบียงไม่สามารถขึ้นมาถึงขนาดนั้นได้ ก็ต้องลดความสูงด้วยการเปิดโหมด Drag maximization แทนการยิงจรวด Stationkeeper เพื่อลดระดับซึ่งเปลืองเชื้อเพลิงทั้งขาขึ้นมาใหม่และขาลงไป
ISS โคจรรอบโลก 16 รอบต่อ 24 ชั่วโมง แต่ละรอบใช้เวลา 90 นาที เพราะฉะนั้น ISS จะใช้เวลาประมาณ 35 นาทีอยู่ในด้านมืดของโลก ไม่มีแสงอาทิตย์ไม่มีไฟฟ้า เพราะฉะนั้น ISS จะต้องสามารถเก็บไฟฟ้าไว้ใช้ตอนอยู่ด้านมืดของโลกได้ หากลองจินตนาการดูว่า ISS ใช้พลังงานพอ ๆ กับบ้าน 40 หลังแต่มันดันต้องอยู่ในที่ ๆ ไม่มีแหล่งพลังงานกว่า 35 นาที แบตเตอรี่ของ ISS จะต้องใหญ่แค่ไหน
ในช่วงแรกของ ISS มันถูกออกแบบให้มากับ Nickel-hydrogen battery เพื่อเก็บพลังงานไว้ใช้กับระบบต่าง ๆ ของสถานีตอนที่อยู่ในด้านมืดของโลก แต่ Nickel-hydrogen battery สามารถเก็บประจุได้เพียงแค่ 1 ใน 3 ของแบตเตอรี่ Lithium แต่ที่ Nickel-hydrogen battery ถูกนำมาใช้บนภารกิจหลาย ๆ ภารกิจอย่าง ISS, Hubble Space Telescope, Mars Odyssey, Mars Global Surveyor และยานสำรวจอื่น ๆ อีกมากมายเพราะว่า Charge cycles ของ Nickel-hydrogen battery สูงมาก กล่าวคือมันเสื่อมสภาพช้าสามารถชาร์จซ้ำได้หลาย ๆ รอบโดยที่ไม่เสี่ยความสามารถในการเก็บประจุไปเสียก่อน อย่างบน Hubble Space Telescope ซึ่งใช้ Nickel-hydrogen battery เช่นกัน ถูกใช้ตั้งแต่ปี 1990 หลังการปล่อยจึงพึ่งมาเปลี่ยนแบตเตอรี่ในปี 2009 อายุการใช้งานเกือบ 19 ปีแต่ไม่เสีย มันเลยถูกเอามาใช้บน ISS เช่นกัน
แต่เพราะว่าบน ISS นั้นแบตเตอรี่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่และเยอะพอสมควรแถมต้องรับกำลังไฟฟ้ามหาศาลจาก Photovoltaic array ให้ได้ และตัวแบตเตอรี่ยังต้องชาร์จไฟวันละ 16 รอบ หรือประมาณปีละ 5840 รอบ ในขณะเดียวกันแบตเตอรี่โทรศัพท์ที่เราใช้กันทุกวันนี้แค่ 300-500 cycles ก็เริ่มเสื่อมแล้ว NASA จึงกำหนดอายุการใช้งานของ Nickel-hydrogen battery บน ISS ไว้ที่ 6.5 ปี ในที่นี้ 6.5 ปีหมายถึงต้องเปลี่ยนแบตใหม่ไม่ใช่หมดอายุขัยเพราะ NASA จะไม่เสี่ยงให้ ISS ใช้แบตเตอรี่เสื่อม ISS ไม่มีไฟฟ้าใช้ตอนกลางคืนนี่แย่แน่
ดังนั้นทุก 6.5 ปี ISS จะต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ใหม่แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานี้ NASA วางแผนว่าจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ใช้เป็น Lithium-Ion เพราะว่าการเปลี่ยนแบตเตอรี่ Nickel-hydrogen ใช้ทรัพยากรในการขนส่งค่อนข้างมาก และเราไม่มีกระสวยอวกาศในการขนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้นไปบน ISS อีกจึงต้องอาศัยเทคโนโลยีที่ใหม่ขึ้นอย่าง Lithium-Ion battery ขึ้นไปแทนแลกกับอายุการใช้งานที่ลดลงนิดนหน่อย ในปี 2017 เดือน มกราคม จึงเริ่มมีการเปลี่ยนแบตเตอรี่ทีละก้อนเป็น Lithium-Ion และดังที่เคยกล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่า Nickel-hydrogen battery สามารถเก็บประจุได้เพียง 1 ใน 3 ของ Lithium-Ion battery ดังนั้นเมื่อเราเปลี่ยนมาเป็น Lithium-Ion battery แล้วเราก็ใช้แค่ครึ่งเดียวก็พอ สมมติก่อนหน้านี้เราใช้ Nickel-hydrogen 4 ก้อน พอเปลี่ยนมาเป็น Lithium-Ion ก็ใช้แค่ 2 ก้อนก็พอ
ระบบไฟฟ้าบน ISS ทำงานอย่างไร
ระบบไฟฟ้าบน ISS มีสองระบบแยกกัน คือ Primary Power System (PPS) และ Secondary Power System (SPS) ซึ่ง PPS เป็นระบบที่ควบคุมไฟฟ้าที่มาจาก Photovoltaic array และควบคุมการ Charge และ Discharge ของ Battery โดยไฟฟ้าที่อยู่ในระบบ PPS จะมีความต่างศักย์ประมาณ 160 volts แต่ก็จะเปลี่ยนจามกาลเวลาเมื่อแผงโซลาร์เซลล์เริ่มเสื่อมสภาพและแปลงไฟได้น้อยลง
ไฟฟ้าที่มาจาก Photovoltaic array จะผ่าน SSU หรือ Sequential Shunt Unit เป็นอุปกรณ์แรก โดยที่ SSU ทำหน้าที่ควบคุม Voltage ของกระแสไฟฟ้าก่อนที่จะใจ่ายไปให้ DCSU หรือ Direct Current Switching Unit โดยที่ SSU จะควบคุม Voltage ให้อยู่ใน Vmp หรือ Volt ที่ต้องการด้วยวิธีที่เปลือง ๆ ไฟฟ้าหน่อย ด้วยการเพิ่มค่าความต้านทานของตัวมันเองเพื่อลด Volt ส่วนเกิน นั้นหมายถึงการเพิ่ม Load โดยไม่จำเป็นเท่าไหร่ ส่วนเมื่อ V ที่ปล่อยออกมาต่ำกว่าที่กำหนดก็จะลดความต้านทานตัวมันเองลงเพื่อทดแทนส่วนที่หายไป
เมื่อผ่าน SSU มาไฟฟ้าก็จะเข้า DCSU ซึ่งเป็นเหมือนเบรกเกอร์ไฟฟ้าในการ Route ไฟฟ้าไปให้ MBSU (Main Bus Switching Unit) และ BCDU (Battery Charge/Discharge Units) BCDU จะทำหน้าที่เหมือน Chip ควบคุมการชาร์จในอุปกรณ์อย่างโทรศัพท์ของเราเพื่อถนอมอายุแบตเตอรี่ด้วยการควบคุมความต่างศักย์ในการชาร์จให้เหมาะสมรวมถึงควบคุมความต่างศักย์ไฟฟ้าให้เท่ากับ Load ที่ต้องการระหว่าง Discharge หรือคายกระแสไฟฟ้า จากนั้นไฟฟ้าก็จะไปที่ MBSU ซึ่งเป็นกล่องควบคุมไฟหลักก่อนที่จะเข้าสู่ระบบไฟฟ้า SPS ที่ MBSU จะมี Output สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการกำลังไฟสูงไว้อยู่ แล้วจึงมีไฟฟ้าแยกต่อไปที่ DDCU (DC-to-DC Converter Unit) ซึ่งเป็นส่วนที่ Stepdown voltage ให้อยู่ที่ 124.5 volts DC (บวกลบ 1 volt) ซึ่งเป็นค่าคสามต่างศักย์มาตรฐานของ SPS
หลังจากไฟฟ้าออกจาก DDCU ก็ขะเข้าที่ SPDA หรือ Secondary Power Distribution Assemblies ซึ่งเป็นส่วนที่ ควบคุมการจ่ายไฟให้ RPDA (Remote Power Distribution Assemblies) โดยที่บน ISS จะมี RPDA แยกเป็นสองอัน SPDA จึงทำหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าว่า RPDA อันไหนต้องใช้ไฟฟ้ามากกว่าจึงจ่ายไฟฟ้าให้ RPDA อันนั้นมากกว่า ส่วนตัว RPDA เองเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟคล้าย ๆ ปลั๊กไฟก่อนที่จะจ่ายไฟให้อุปกรณ์ ซึ่งก็มีหน้าที่ควบคุบ Load ไฟฟ้าในตัวมันเองเช่นกัน
ที่ระบบไฟฟ้าบน ISS มีระดับย่อยขนาดนี้ทั้ง ๆ ที่เป็นระบบคล้าย ๆ กันก็เพราะว่ามันเป็น Fail-safe design ของระบบ Power distribution ที่ว่าถ้า Load อันใดอันนึงพัง อีกอันก็ยังสามารถทำงานแทนได้และไม่พังทั้งระบบเพราะว่าถ้าเกิด Module อันใดอันนึงพังอย่างเกิดการ Short-circuit ขึ้น ไฟฟ้าทั้งสถานีอาจมีปัญหาได้
ไฟฟ้าบน ISS ทั้งหมดเป็นไฟฟ้ากระแสตรงหรือ DC เพราะบน ISS ไม่มีความจำเป็นต้องใช้ไฟฟ้ากระแสสลับหรือ AC เพราะว่าอย่างไฟฟ้าในบ้านที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ก็เป็นไฟฟ้า AC เพราะว่าไฟฟ้า AC เวลาถูกส่งมาระยะไกลเช่นส่งมาจากสถานีไฟฟ้าที่อยู่ไกล ๆ ซึ่งเป็น High voltage AC พอเวลามันมาถึงสถานีย่อยมันจะต้องถูก Stepdown หรือลด Volt ก่อนที่จะมาถึงบ้านเราก่อนเพราะเราคงไม่อยากใช้ไฟฟ้า 100,000 volts เหตุผลหลักที่เราใช้ AC ก็เพราะว่า AC สามารถ Step-down หรือ Step-up voltage ด้วยหม้อแปลงง่ายกว่า DC นั้นเอง แต่ DC ไม่สามารถแปลงไฟฟ้าไป ๆ มา ๆ ได้ มันเลยไม่ถูกนำมาใช้ในบ้านเราแต่เอาไปใช้ในอุปกรณ์แทนเลย เช่น Adapter ชาร์จต่าง ๆ
แต่อุปกรณ์บน ISS ส่วนใหญ่ไม่มีหม้อแปลง หรือ Transformer เพราะว่าอุปกรณ์บน ISS ถูกออกแบบมาให้สามารถใช้ไฟฟ้า Interface ของ ISS ได้โดยตรงเลยโดยที่ไม่ต้องมีหม้อแปลงไฟฟ้า เพราะ NASA ไม่ชอบหม้อแปลงไฟฟ้า นั้นเป็นเพราะว่าหม้อแปลงไฟฟ้าสร้างความร้อนและไม่มีหน่วยงานอวกาศไหนชอบความร้อนหรอกเพราะวันดีคืนดีไฟลุกขึ้นมานี่คงเละแน่ อีกเรื่องคือไฟฟ้า AC อันตรายกว่า DC ในเรื่องของการโดนช็อตเพราะว่าเวลาไฟฟ้า AC ช็อตมันสามารถหยุด Pacemaker ในหัวใจได้ง่ายกว่า DC เพราะเวลา DC ช็อตมันจะแค่หยุดไว้ชั่วคร่าวแต่พอเป็น AC มันจะช็อตไปมั่วไปหมดทำให้ Pacemaker อย่าง Sinoatrial node เรียกว่าเอ๋อได้ สุดท้ายก็คือ Cardiac arrest
แบตเตอรี่ของ ISS ในอนาคต
Battery แบบใหม่ที่ NASA กำลังพัฒนาก็คือ Flywheel energy storage หรือ FES ซึ่งเป็นการเก็บพลังงานในรูปแบบของพลังงานจลน์ซึ่งก่อนหน้านี้ในแบตเตอรี่ของ ISS เป็นแบตเตอรี่เคมี อ้างอิงจากงานวิจัย Development of a High Specific Energy Flywheel Module and Studies to Quantify Its Mission Applications and Benefits ของ Glenn Research Center NASA FES จะเก็บพลังงานด้วยการหมุนตลับแม่เหล็กหรือ Magnetic bearings ซึ่งอยู่ในสภาพสุญญากาศไปที่ความเร็ว 90,000 RPM ซึ่งการหมุน Magnetic bearings นี้เป็นเหมือนการชาร์จด้วยการเอาพลังงานมาจ่ายไฟฟ้าให้มอเตอร์เพื่อหมุน Magnetic bearings เพื่อเก็บพลังงานในรูปของพลังงานจลน์
การชาร์จจะเกิดขึ้นระหว่างตอนที่ ISS กำลังรับแสงอาทิตย์อยู่เพื่อหมุน FES ไปให้ถึง 60,000 RPM เมื่อ ISS เข้าสู่เงามืดของโลกจึง Disconnect ระบบชาร์จที่อาจจะผ่านโมดูล BCDU แล้วเชื่อม Magnetic bearings เข้ากับ Drive generator ที่ต่อกับเครื่องปั่นไฟ พลังงานจลน์จาก FES ก็จะเริ่มหมุน Drive generator เพื่อปั่นไฟและจ่ายไฟให้กับสถานีไฟฟ้า ซึ่ง FES จะค่อย ๆ เสียพลังงานจลน์จนเหลือความเร็วการหมุนเพียงแค่ 20,000 RPM แต่นั้นก็เพียงพอที่จะจ่ายไฟฟ้าให้ ISS พอระหว่างที่อยู่ด้านมืด
แต่ระบบเก็บพลังงานแบบนี้มีข้อเสียตรงที่มันจะต้องคอยเอาพลังงานมา Sustain ตัวมันเองแม้ตอนที่จะไม่ใช้มันเวลาชาร์จพอสมมติว่าถ้าเราชาร์จโดยการหมุน Bearings ไปที่ 90,000 RPM แล้ว แล้วหยุดจ่ายพลังงานให้มอเตอร์มันก็จะค่อย ๆ เสียพลังงานจลน์ไปเรื่อย ๆ ทั้ง ๆ ที่เราไม่ใช้มันจึงทำให้ FES ต้องคอยมีไฟฟ้าจ่ายตลอดเวลาเพื่อรักษาพลังงานจลน์จึงทำให้ FES ยังอยู่ในขั้นตอนพัฒนาโดย NASA เพื่อ Improve ประสิทธิภาพ ปัจจุบัน FES ถูกออกแบบให้มีอายุการใช้งานกว่า 15 ปี และสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิตั้งแต่ -45 องศาเซลเซียสถึง 45 องศาเซลเซียส มีประสิทธิภาพในการคืนพลังงานหลังการชาร์จไฟฟ้ากว่า 85% นั้นหมายถึงว่าที่แบตเต็ม 100% จะสามารถเอามาใช้ได้กว่า 85%
ในอนาคตไฟฟ้าที่เราจะใช้กันนอกโลกอย่างบนดวงจันทร์หรือบนดาวอังคารก็จะยังคงเป็นไฟฟ้า AC ส่วนอุปกรณ์ไฟฟ้าของเราก็จะยังคงเป็น DC เหมือนเดิมเพราะว่ามันยังเป็น Standard ของการ Transmit ไฟฟ้าในปัจจุบัน และต้นแบบของแบตเตอรี่ในการเก็บพลังงานบนดวงจันทร์ก็คงเป็น Flywheel Energy Storage สำหรับการสำรวจบนดวงจันทร์เพราะว่าด้วยความง่ายในการ Regulate การ Discharge และ Charge ทำให้มันสะดวกกว่าการชาร์จด้วยแบตเตอรี่แบบเดิม
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
International Space Station (ISS) Power system
Overview of International Space Station Electrical Power System
International Space Station Familiarization