MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798286499045
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32039885
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aPeters,  Anthony  Rafael.
■24510▼aOrbital  Analysis,  Microwave  Power  Beaming  and  Semiconductor  Material  Damage  Assessment  for  Space-Based-Solar  Systems
■260    ▼a[Sl]▼bColumbia  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a231  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Fthenakis,  Vasilis  M.;Preindl,  Matthias.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Columbia  University,  2025.
■520    ▼aTechnological  advancements  must  keep  pace  with  the  earth's  rising  demand  for  energy,  while  minimizing  the  carbon  footprint  on  earth.  One  such  option  is  using  space  based  solar  (SBS)  energy  harvesting  and  radiofrequency  (RF)  microwave  power  beaming.  In  1968,  Dr.  Peter  Glaser  published  "Power  from  the  Sun:  Its  Future",  qualitatively  illustrating  that  SBS  can  be,  at  some  time  in  the  future,  a  solution  to  solar  intermittency  on  earth.  However,  the  high  cost  of  this  option  and  the  drastically  reduced  cost  of  terrestrial  solar  energy  combined  in  leaving  this  concept  as  aspirational  as  a  trip  to  other  planets.  This  technology  is  currently  being  explored  under  a  renewed  prism,  to  address  not  only  terrestrial  photovoltaic  (PV)  intermittency  but  also  in  high  latitude  remote  areas  and  to  transmit  power  to  spacecraft  in  various  orbits.  A  catalyst  of  this  renewed  interest  is  the  promise  of  reusable  launch  vehicles  (RLV)  which  can  drastically  reduce  the  cost  of  bringing  SBS  components  to  orbit.  This  dissertation  offers  an  overview  of  the  current  status  on  SBS  research  and  space  industry  capabilities.  It  includes  a  discussion  of  reliance  of  SBS  initiatives  on  (RLV)  to  place  SBS  spacecraft  in  various  designated  orbits,  as  well  as  the  technological,  economic,  and  operational  challenges  associated  with  power  beaming  to  earth  and  other  spacecraft.  Moreover,  this  dissertation  presents  a  novel  investigation  of  the  pros  and  cons  for  SBS  deployment  in  different  orbits  coupled  with  semiconductor  material  damage  analysis  associated  with  each  orbital  environment.Power  beaming  will  be  accomplished  via  microwave  emissions,  and  transmit  power  to  both  terrestrial  ground  stations,  as  well  as  other  space  vehicles  (SV)  in  various  earth  orbits.  This  dissertation  includes  the  mechanics  of  energy  transferred  from  point  to  point,  as  well  a  detailed  analysis  of  the  medium  (i.e.,  atmospheric  scattering  due  to  gaseous  attenuation  of  the  wireless  energy)  in  which  the  energy  must  pass,  with  a  comprehensive  explanation  of  the  associated  losses  therein.  Power  beaming  is  the"  The  limitations  of  wireless  power  transfer  (WPT)  are  explored,  where  power  beaming  "efficient  point-to-point  transfer  of  electrical  energy  across  free  space  by  a  directive  electromagnetic  beam"  utilizes  directive  propagated  waves  that  exclude  waveform  that  can  be  used  in  destructive  applications.  In  this  dissertation,  the  use  of  power  beaming  is  suggested  primarily  for  use  in  delivering  power  to  remote  terrestrial  areas  such  as  forward  operating  bases  (FOB),  industrial  sites,  and  unmanned  vehicles  (both  on  ground  and  in  the  air)..  The  use  of  microwave  emissions  is  the  focus  for  this  dissertation  as  this  mode  offers  the  ideal  solution  in  terms  of  efficiency  for  transmitting  large  amounts  of  power  over  long  distances.  A  conceptual  framework  and  mathematical  model  are  developed  to  quantify  the  system  limitations  for  power  beaming  based  on  current  technology.Radiation  impacts  on  space-based  systems  operating  on  various  orbits  were  evaluated.  The  software  utilized  for  this  dissertation  include:  (1)  COMSOL  Multiphysics  v2.1,  where  Monte  Carlo  simulations  were  run  for  charged  particle  tracing  and  particle  matter  interactions,  which  were  additionally  tailored  for  different  materials  (i.e.,  GaAs,  SiC).  (2)  Matlab  was  used  for  developing  unique  simulations  to  complete  numerous  orbital  analysis,  transmission  of  RF  energy  through  the  atmosphere,  and  lunar  trajectories;  Matlab  was  also  used  in  the  materials  assessment  of  GaAs/InP  PV  cells,  using  the  (3)  MC-SCREAM  software  developed  by  the  Naval  Research  Laboratory.  This  software  was  modified  and  expanded  to  use  the  specific  PV  cells  for  space  vehicles,  various  types  of  cover  glass  and  dielectric  coatings,  and  a  new  radiation  library  database  for  radiation  spectra  in  various  orbits  using  (4)  SPENVIS.  Calculations  for  various  material  non-ionizing  energy  loss  (NIEL)  profiles  were  completed  in  (5)  SR-NIEL  to  input  into  MC-SCREAM,  further  expanding  the  software  to  meet  the  analysis  needs  in  this  dissertation.  Specifically,  satellite  operations  in  LEO,  MEO,  and  Geosynchronous  Orbit  (GEO)  were  analyzed.  Special  focus  is  given  on  quantifying  the  effect  of  high  energy  particle  space  radiation  on  materials  used  for  critical  power  components,  where  component  fault  can  lead  to  total  mission  failure.  Methods,  using  multiple  computational  platforms  for  the  quantification  of  NIEL  and  displacement  damage  dose  (DDD),  are  used  to  assess  semiconductor  damage  as  a  function  of  orbital  altitude.  Detailed  simulations  were  conducted  for  Gallium  Arsenide  Indium  Phosphide  (GaAs/InP)  solar  cells  with  various  cover  glass  thicknesses.  It  was  assessed  that  radiation  exposure  due  to  high  energy  protons  at  10000  km  is  more  prevalent  than  20000  km  orbits  and  that  electrons  are  the  major  electronics  damage  culprits.  For  MEO  at  10000  km,  MEO  at  20000  km,  and  GEO  at  36000  km,  we  determined  1-year  maximum  power  (Pmax)  losses  due  to  protons  to  be  23%,  8%,  and  1%,  and  losses  due  to  electrons  at  11%,  14%  and  10%.  Total  combined  spectra  Pmax  losses  for  those  altitudes  are  25%,  16%,  and  10%,  respectively.  The  results  of  the  simulations  were  verified  with  previous  limited  scope  damage  analysis  of  satellites  operating  in  LEO,  and  the  survivability  of  GaAs  cells  was  compared  with  that  of  Si  cells.  The  intended  spacecraft  mission  will  often  dictate  the  orbit  in  which  it  operates,  with  particular  attention  to  the  tradeoffs  between  operational  requirements  (i.e.,  time  on  top  overhead  of  the  receiver  site  influenced  by  orbital  period)  and  orbital  considerations  (i.e.,  radiation  impacts,  thermal  ranges,  altitude  deconfliction  with  other  SVs,  space  debris  deconfliction)..  There  is  also  a  cost  evaluation  to  consider  for  each  orbit,  specifically  for  the  launch  vehicle  (LV).This  dissertation  identified  and  assessed  system  efficiencies,  and  the  orbital  analysis  required  for  SBS  power  beaming  to  remote  terrestrial  areas  and  to  other  spacecraft  from  SBS  systems  operating  in  LEO,  MEO  and  GEO.  Specific  scenarios  are  presented  to  demonstrate  simulation  capabilities  using  Matlab/Simulink  which  provide  orbit  visualization,  control  of  classical  orbital  elements  (COEs)  to  determine  power  beaming  overhead  time  to  remote  locations  and  other  satellites,  as  well  as  eclipse  cycles  and  solar  capture  forecasts.  Other  simulation  results  to  support  SBS  operations  include  earth  space  propagation  and  transmission  losses  for  desired  RF  microwave  power  beaming  wavelengths.  The  various  orbits  presented  as  candidates  for  power  beaming  satellites  are  additionally  presented  with  the  associated  radiation  spectra  for  trapped  protons  and  electrons.  Radiation  spectra  data  collection  methodology  is  also  presented,  and  was  used  for  determination  of  radiation  shielding  materials,  satellite  survivability,  and  longevity  for  a  specified  mission  duration.  From  our  analysis,  we  identified  the  SBS  orbit  requirements  for  continuous  space-to-earth  power  beaming  using  criteria  such  as  overhead  time,  earth  coverage  and  RF  spot  size,  solar  capture,  and  power  delivered  at  the  receiver  site.  10000  km  MEO  circular  orbits  with  55-degree  inclination  are  potential  candidates  for  SBS  satellites,  with  overhead  time  for  a  single  satellite  forecasted  at  28%,  covering  30%  of  earth,  while  optimizing  solar  capture  at  97%.  Technology  improvements  can  increase  predicted  power  transmission  efficiencies  by  5-10%  through  RF  beam  and  phase  focusing.This  research  stems  from  the  Air  Force  Research  Laboratory's  (AFRL)  Space  Solar  Power  Incremental  Demonstrations  and  Research  (SSPIDR)  initiative,  which  includes  the  power  beaming  demonstration  payload  known  as  Space  Solar  Power  Radio  Frequency  Integrated  Transmission  Experiment  (SSPRITE).
■590    ▼aSchool  code:  0054.
■650  4▼aApplied  physics
■650  4▼aAerospace  engineering
■650  4▼aElectrical  engineering
■650  4▼aEngineering
■653    ▼aDirected  energy
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■653    ▼aSolar  capture
■690    ▼a0215
■690    ▼a0538
■690    ▼a0544
■690    ▼a0537
■71020▼aColumbia  University▼bElectrical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01B.
■790    ▼a0054
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17357570▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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