Kosmiczne ogniwa słoneczne: nowy zarania energii dla lotniczej

W rozległej i nieograniczonej podróży eksploracji kosmosu dostawa energii zawsze była kluczowym czynnikiem determinującym wydajność statku kosmicznego i powodzenie lub niepowodzenie misji. Kosmiczne ogniwa słoneczne, jako rdzeniowy sprzęt zasilający w polu lotniczym, wykorzystują światło słoneczne jako „paliwo ”, aby stale wstrzykiwać moc do statku kosmicznego. Ich wydajność wydajności głęboko wpływa na tempo ludzkiego postępu w kierunku wszechświata.

Zasada pracy kosmicznych ogniw słonecznych opiera się na efekcie fotoelektrycznym. Kiedy fotony w świetle słonecznym zderzają się z powierzchnią akumulatora wykonanego z materiałów półprzewodnikowych, energia fotonów jest wchłaniana, powodując, że elektrony wewnątrz półprzewodnika zyskują wystarczającą energię, aby uwolnić się od ograniczeń atomowych i tworzyć ukierunkowany przepływ elektronów, generując w ten sposób energię elektryczną. Ten pozornie prosty proces konwersji energii stoi przed wieloma wyzwaniami w złożonym i ciągle zmieniającym się środowisku przestrzeni.

Z przykładów aplikacji wiele statków kosmicznych osiągnęło długoterminowe stabilne działanie za pomocą ogniw słonecznych. Na przykład międzynarodowa stacja kosmiczna jest wyposażona w duży i zaawansowany zestaw ogniw słonecznych. Zastosowane ogniwo słoneczne arsenidów galu galu ma wydajność konwersji około 30%. Te ogromne „skrzydła” mają powierzchnię kilkaset metrów kwadratowych i mogą co roku zapewnić kilka megawatów energii elektrycznej, utrzymując normalne działanie różnych złożonych sprzętu badawczego naukowego, systemów wsparcia życia i urządzeń komunikacyjnych na stacji. Według statystyk około 90% codziennych dostaw energii elektrycznej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej opiera się na ogniwach słonecznych, znacznie zmniejszając jego zależność od tradycyjnych źródeł energii, takich jak jednorazowe baterie chemiczne. Umożliwia to stacji kosmicznej działanie ciągłego na orbicie przez dziesięciolecia, co stanowi solidne podstawy do długoterminowych badań przestrzeni.

Patrząc ponownie na sondę Marsa, biorąc na przykład Chin Tianwen-1, jego trzykrotnie galu arsenid arsenid Solar Cells ma specjalnie w celu dostosowania do środowiska Marsjańskiego. Mars jest dalej od słońca, z zaledwie około 43% intensywności światła na orbicie Ziemi, a obecność dużej ilości pyłu w marsjańskiej atmosferze dodatkowo osłabi światło. Jednak macierz baterii, z wysoką wydajnością konwersji i doskonałą odpornością na promieniowanie, może nadal zapewnić stabilną moc sondy w złożonym środowisku powierzchni marsjańskiej, wspierając ją w celu wykonania serii trudnych zadań, takich jak orbita, lądowanie i patrol. W miesiącach misji eksploracji Marsa w Tianwen-1 ogniwa słoneczne zapewniały ciągły i stabilny zasilanie, pomagając sondy w przeprowadzaniu kompleksowego eksploracji Marsa i uzyskiwaniu dużej ilości cennych danych naukowych.

Pod względem korzyści wydajności ogniwa słoneczne kosmiczne mają znaczące cechy w porównaniu z innymi źródłami energii. W porównaniu z jednorazowymi akumulatorami chemicznymi eliminuje ograniczenia magazynowania paliwa i może wytwarzać energię elektryczną w sposób ciągły, o ile jest światło. Przykładając baterie chemiczne stosowane we wczesnych satelitach, ich moc jest ograniczona i często kończy się w ciągu tygodni lub miesięcy, podczas gdy ogniwa słoneczne mogą teoretycznie zapewniać ciągłą moc przez cały okres obsługi statku kosmicznego. Tymczasem, w porównaniu z energią jądrową (taką jak radioaktywne źródła mocy termicznej izotopu), ogniwa słoneczne są bezpieczniejsze, bardziej przyjazne dla środowiska, nie mają ryzyka wycieku jądrowego i mają stosunkowo dojrzałą technologię i niższe koszty.

Oczywiście kosmiczne ogniwa słoneczne mają również pewne ograniczenia. W misjach eksploracyjnych w przestrzeni głębokiej z dala od słońca intensywność światła gwałtownie zmniejsza się, co powoduje znaczny spadek mocy wyjściowej baterii. Na przykład, w pobliżu orbity Jowisza, intensywność światła wynosi tylko około 4% orbity Ziemi, która znacznie zmniejsza wydajność zasilania ogniw słonecznych i utrudnia zaspokojenie potrzeb konsumpcji wysokoenergetycznych statku kosmicznego. Ponadto trudne czynniki środowiskowe, takie jak promieniowanie przestrzeni i uderzenia mikrometeoroidalne, mogą stopniowo uszkodzić wydajność materiałów akumulatorowych i zmniejszyć wydajność konwersji. Jeśli satelita działa na niskiej orbicie Ziemi przez długi czas, jego powierzchnia ogniw słonecznych zostanie bombardowana przez cząstki wysokoenergetyczne, powodując spadek baterii z roku na rok i wpływając na żywotność serwisową satelitarnej.

Aby poprawić wydajność kosmicznych ogniw słonecznych, naukowcy stale badają innowacyjne technologie. Z jednej strony opracowanie nowych materiałów półprzewodników, takich jak materiały perowska, osiągnie teoretyczną wydajność konwersji wynoszącą ponad 40%i ma zalety, takie jak tani i prosty proces przygotowania. Obecnie w laboratorium osiągnięto wyniki stopniowe; Z drugiej strony poprawa konstrukcji struktury akumulatora poprzez przyjęcie struktury ułożonej w wielu połączeniach może zwiększyć wydajność wykorzystania energii światła poprzez pochłanianie różnych długości fali światła słonecznego przez różne materiały. Na przykład oczekuje się, że nowy typ czterech połączeń ogniw słonecznych w Stanach Zjednoczonych będzie miała wydajność konwersji ponad 45%.

Kosmiczne ogniwa słoneczne, z ich unikalnymi zaletami, odgrywają niezastąpioną rolę w istniejących misjach lotniczych. Pomimo wyzwań, ich wydajność będzie się poprawić wraz z ciągłym postępem technologii, zapewniając silniejsze i bardziej zrównoważone wsparcie energetyczne dla wielkiego projektu ludzkiego eksploracji wszechświata i pomagając nam płynąć w kierunku bardziej odległych gwiazd i oceanów.