Šie nauji saulės elementai gali atsispirti mirtinai spinduliuotei kosmose


  • Galėtume paleisti palydovus į kosmosą didesniame aukštyje nei Žemosios Žemės orbitatačiau ten esanti radiacija gali sunaikinti jų elektroniką ir maitinimo šaltinį.
  • Sprendimas galėtų būti lengvesnis, plonesnis, spinduliuotei atsparus saulės elementas.
  • Šie saulės elementai galėtų padėti kosmoso agentūroms, tokioms kaip NASA, tyrinėti svetimus pasaulius, tokius kaip Jupiterio mėnulis. Europa.

Kai kurie žmonės mėgsta sakyti, kad kosmosas yra žvaigždėta didžiulės tuštumos riba, tačiau akivaizdu, kad jie niekada nebandė paleisti palydovo. Praėjus šešiasdešimt penkeriems metams po Sputnik, apie 8 tūkst Žemosios Žemės orbita (LEO) palydovai dabar knibžda planetoje su maždaug 1400 jų pradėjo veikti vien 2021 m. Esant tokiam tempui, patogi orbitinė juosta, esanti maždaug 1200 mylių virš mūsų galvų, taps per daug perpildyta, kad galėtų būti būsimų erdvėlaivių šeimininkė. Taigi kur mes einame iš čia?

Palydovai gali būti nustumti į aukštesnes orbitas, o kitas aukščio sustojimas yra vidurinės arba vidutinės Žemės orbitos (MEO), besitęsiančios iki maždaug 22 300 mylių, tačiau tokiais atstumais padidėjo protonų spinduliuotė iš Van Alleno diržai sugriauti palydovinę elektroniką ir maitinimo šaltinį. Tai sukuria MEO idėją palydovai mažiau nei patrauklus, bet ką daryti, jei naujo tipo spinduliuotei atsparus saulės elementas galėtų pasaldinti sandorį?

A popierius paskelbė antradienį Taikomosios fizikos žurnalas detaliai aprašomas naujas itin plonas saulės elementas, sukurtas taip, kad atlaikytų spinduliuojančią energiją orbitomis. Kadangi šie saulės elementai yra tokie ploni, jie taip pat pašalina nereikalingą masę, dėl kurios palydovai gali būti lengvesni, taigi ir pigesni. Vieną dieną šie spinduliuotei atsparūs saulės elementai netgi gali atsidurti kito pasaulio paviršiuje.

Skristi aukštai

Kai mokslininkai aiškinosi, kur pastatyti pirmuosius pasaulyje palydovus, pasirinkti žemesnę Žemės orbitą buvo neprotinga. Jos arti Žemės (palyginti) reiškė, kad paleidimo aikštelėje reikia mažiau energijos, o palydovai, skambinantys namų vaizdais, galėjo tai padaryti daug didesne raiška. Tačiau vienas didžiausių jos pranašumų buvo tai, kad LEO iš esmės išvengė Žemę supančių radiacijos juostų, susidariusių iš Žemės magnetosfera gaudyti saulės vėjus. Deja, per 60 palydovų paleidimo metų LEO tapo gana sausakimša vieta.

„Žemoje Žemės orbitoje yra daug palydovų ir šiukšlių, ir tai tik pablogės“, – straipsnio autorius ir mokslų daktaras Arminas Barthelis. Kembridžo universiteto studentas, pasakoja Populiari mechanika. „Jei galime rasti alternatyvių sprendimų žemoje Žemės orbitoje, tai tikriausiai būtų geras dalykas.

Vidutinės žemės orbita galėtų būti atsakymas. Vienas MEO pavyzdys orbita žinoma rusišku pavadinimu „Molniya“ (reiškia „žaibas“), kuri yra labai elipsės formos orbita, kurią Sovietų Sąjunga pirmą kartą panaudojo septintajame dešimtmetyje. Kadangi Rusija yra didesnėse platumose, MEO palydovai iš tikrųjų veikia geriau nei palydovai geosinchroninėje orbitoje, kurie dažnai treniruojami Žemės pusiaujo regione. The Pasaulio meteorologijos organizacija taip pat mano, kad šie palydovai gali būti labai svarbūs stebint Žemės poliarinius regionus.

Deja, palydovams, skriejantiems vidutinės Žemės orbitose, patinka Molnia turi praeiti pro protonų spinduliuotės juostas ir turi būti sukietėjusios nuo šių aukštų radiacija srautai. „Kad šie palydovai būtų ekonomiškai gyvybingi, jie turi tarnauti ilgiau ir būti pigesni“, – sako Barthel.

Laimei, itin ploni saulės elementai veikia abiem atvejais.

Maitinimas sumažinus dydį

Itin plonų ant lusto saulės elementų nuotrauka. Ląstelės yra žali kvadratai ir juose yra itin plonas šviesą sugeriančių GaAs sluoksnis, kuris yra raktas į jų spinduliuotės toleranciją. Kiekvieno žalio kvadrato paviršius yra tik 120 nanometrų, maždaug viena tūkstantoji žmogaus plauko storio, virš supančios pilkos srities. Aukso spalvos tinkleliai yra elektrai laidūs metaliniai kontaktai.

Arminas Bartelis

Dauguma palydovų naudoja fotovoltinius saulės elementus kaip maitinimo šaltinį. Kai šios ląstelės absorbuoja šviesos, jie perduoda energiją į neigiamo krūvio elektronus, yra išjudinami ir generuoja elektros energiją per saulės elementą. Tačiau apšvitinus šias ląsteles, spinduliuotė išstumia šiuose kristalizuotuose puslaidininkiuose esančius atomus, o tai sukelia defektus, o šie labai maži defektai gali būti labai dideli.

„Kuo daugiau defektų, tuo didesnė tikimybė, kad tai susijaudins elektronas susidurs su defektu ir praras savo energiją“, – sako Barthel. „Jei padarysite ląstelę plonesnę, sumažinsite atstumą, kurį elektronas turi nukeliauti… padidinsite tikimybę, kad jis išeis iš ląstelės ir pateks į ląstelės grandinę prieš pastebėdamas defektą.

Ir kai Barthel sako „itin plonas“, jis neperdeda. Šiuolaikinis palydovas saulės elementų gali būti kelių dešimčių mikronų dydžio – net „ploni“ saulės elementai vis tiek gali išmatuoti mikronų plotį. Tačiau Barthel saulės elementas yra apie 80 nanometrų, o tai yra maždaug viena tūkstantoji žmogaus plauko dydžio (1 mikronas = 1000 nanometrų).

Barthel ir jo komanda sukūrė dvi šio itin plono saulės elemento versijas: vieną, kurios struktūra panaši į tipišką lusto dizainaso kitame naudojamas sidabrinis galinis veidrodis, kad saulės elementas galėtų užfiksuoti daugiau šviesos. Abu naudoja puslaidininkinę medžiagą galio arsenidą (GaAs). Kadangi Barthel negalėjo išbandyti lustų tikroje kosminėje aplinkoje, komanda pasirinko kitą geriausią dalyką – saulės elementų maudymą išspinduliuotais protonais, pagamintais Daltono Kambrijos branduolinėje gamykloje Anglijoje. Ištyrus žalą ląstelėms naudojant katodoliuminescencijos metodą ir ištyrus elemento energijos vartojimo efektyvumą naudojant kompaktišką saulės treniruoklį, rezultatai parodė, kad itin plonos ląstelės du kartus pralenkė savo storesnes kolegas.

Nors šie itin ploni elementai gali būti palaima palydovo išlikimui už žemos Žemės orbitos ribų, lengvesnis saulės elementas reiškia ir lengvesnį erdvėlaivį. Kadangi saulės elementai yra plonesni ir todėl mažiau linkę į defektus, laikui bėgant elementų našumas tik gerėja, palyginti su storesniais. „Kadangi mūsų ląstelės yra tokios plonos, jos sugeria mažiau šviesos, nes praeina daug šviesos“, – sako Barthel. „Nors pradedame turėdami mažiau galios, pasiekiame tašką [over time] kur mūsų ląstelė iš tikrųjų gamina daugiau energijos nei storesnė ląstelė.

Šiems itin ploniems, spinduliuotei atspariems saulės elementams reikia šiek tiek daugiau laiko orkaitėje, kad jie galėtų konkuruoti su šiuolaikinių palydovų saulės elementais. Barthel sako, kad kiti žingsniai apima integruoto šviesos valdymo (sidabro spalvos galinio veidrodžio, padedančio ląstelėms užfiksuoti daugiau šviesos) tobulinimą, taip pat tobulinant gamybos procesą – juk nėra lengva pagaminti tik 80 nanometrų storio daiktą.

Tačiau kai tik bus paruošta didžiajam šou, šios ląstelės galėtų rasti kelią erdvėlaivyje toli už vidutinės Žemės orbitos.

Už Žemės orbitos

europa, į kurią galime įsiveržti mažyčiais robotais

Europa ir jos linijos

NASA / JPL / Arizonos universitetas

Kalbant apie kitų pasaulių tyrinėjimą, Jupiterio mėnulis Europa yra netoli sąrašo viršaus (rimtai, sudarėme sąrašą). Mėnulio vandens garų stulpeliai daro jį patraukliu nežemiškos gyvybės šeimininku, tigro dryžuotos linijos suteikia jam tam tikrą „vėsų“ faktorių, o visa tai guli ant storo ledo sluoksnio vandenyno, didesnio už visus Žemės vandenynus. sujungti. NASA iš tikrųjų taip domisi Mėnuliu, kad siunčia erdvėlaivį Europa Clipper ištirti ledinio pasaulio.

Tačiau Europa Clipper nebus aplink Europą, kaip rodo jos pavadinimas. Vietoj to, jis skris aplink dujų milžiną Jupiteris kad būtų išvengta pačios planetą niokojančios radiacijos juostos. NASA taip pat išsiuntė savo Juno orbitą į labai elipsę aplink Jupiterį 2016 m., kad apribotų šios žalingos spinduliuotės poveikį. Barthel teigia, kad tolesnis radiacijai atsparių saulės elementų tyrimas, kartu su kitų būsimų erdvėlaivių aspektų grūdinimu, gali iš esmės pakeisti NASA ir kitų kosmoso agentūrų planavimą šios misijos. „Tikrai stipriai atsparios radiacijai ląstelės, galinčios išgyventi mėnesį mėnulyje, būtų tikrai šaunu“, – sako Barthel.

Kol kas šios ląstelės yra koncepcijos įrodymas, kad itin plonas dizainas gali padaryti palydovus ir erdvėlaivius atsparius kenksmingai spinduliuotei, randamai visame pasaulyje. galaktika. Tobulėjant šiems saulės elementams, negalima pasakyti, kokius pasaulius jie padės tyrinėti.

Darrenas gyvena Portlande, turi katę ir rašo/redaguoja apie mokslinę fantastiką ir tai, kaip veikia mūsų pasaulis. Jo ankstesnius dalykus galite rasti „Gizmodo“ ir „Paste“, jei pakankamai atidžiai ieškosite.