Обеспечение надежными источниками энергии остается одной из главных трудностей в освоении космоса. Современные космические солнечные батареи демонстрируют высокую эффективность, достигающую 30-40%, однако они чрезвычайно дороги и обладают значительным весом из-за защитных покрытий из стекла или толстой фольги. Доставка таких тяжелых материалов на орбиту или другие небесные тела связана с колоссальными затратами.
Исследователи предлагают решение, основанное на использовании ресурсов непосредственно на месте (in-situ resource utilization, ISRU). Феликс Ланг из Потсдамского университета в Германии и его команда разработали концепцию создания солнечных элементов с использованием лунного реголита — рыхлого поверхностного слоя лунного грунта. Ключевая инновация заключается в замене тяжелых стеклянных покрытий земного производства на стекло, изготовленное из реголита, так называемое «лунное стекло».
В исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Device, использовался имитатор лунной пыли. Путем его плавления при высоких температурах было получено лунное стекло. Это стекло затем было скомбинировано с перовскитом — классом кристаллов, известных своей способностью эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество, а также относительной дешевизной и простотой производства.
Созданные прототипы продемонстрировали способность эффективно преобразовывать солнечный свет. Путем оптимизации толщины лунного стекла и состава ячейки удалось достичь эффективности в 10%. Исследователи полагают, что при использовании более прозрачного лунного стекла этот показатель можно повысить до 23%. Хотя начальная эффективность ниже, чем у передовых земных аналогов, возможность производства большого количества панелей непосредственно на Луне компенсирует этот недостаток.
Применение лунного стекла позволяет радикально снизить массу полезной нагрузки при запусках с Земли — по оценкам, на 99,4%. Это, в свою очередь, может сократить транспортные расходы на 99%. В результате, на каждый грамм материала, доставленного в космос для создания таких панелей, можно будет получить до 100 раз больше энергии по сравнению с традиционными солнечными батареями, привезенными с Земли.
Важнейшим преимуществом панелей с лунным стеклом является их повышенная устойчивость к космической радиации. В ходе тестов образцы подвергались облучению, имитирующему условия космоса. Версии с лунным стеклом показали лучшие результаты, чем аналоги с обычным земным стеклом. Стандартное стекло под воздействием радиации темнеет («коричневеет»), что снижает его прозрачность и эффективность панели. Лунное стекло изначально имеет коричневатый оттенок из-за примесей в реголите, что стабилизирует материал и предотвращает дальнейшее потемнение под действием радиации.
Процесс изготовления лунного стекла относительно прост и не требует сложных этапов очистки исходного реголита. Необходимые для плавления высокие температуры могут быть достигнуты с помощью концентрированного солнечного света, что также является преимуществом для лунных условий.
Несмотря на многообещающие результаты, существуют вызовы для практического применения технологии на Луне. Низкая гравитация может повлиять на процесс формирования стекла. Растворители, используемые сейчас для нанесения перовскитных слоев, не будут работать в условиях лунного вакуума. Кроме того, резкие перепады температур на Луне могут представлять угрозу для стабильности материалов.
Следующим шагом команды Феликса Ланга является проведение мелкомасштабного эксперимента непосредственно на Луне для проверки работоспособности и долговечности таких солнечных элементов в реальных условиях лунной среды.
Разработка солнечных панелей из реголита является частью более широких усилий по освоению лунных ресурсов (ISRU), которые также включают проекты по извлечению воды для производства ракетного топлива или созданию строительных материалов, таких как лунные кирпичи. В перспективе, технология превращения лунной пыли в эффективные источники энергии может обеспечить энергетические потребности будущих лунных баз и поселений, делая долгосрочное присутствие человека на Луне более реальным.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследователи предлагают решение, основанное на использовании ресурсов непосредственно на месте (in-situ resource utilization, ISRU). Феликс Ланг из Потсдамского университета в Германии и его команда разработали концепцию создания солнечных элементов с использованием лунного реголита — рыхлого поверхностного слоя лунного грунта. Ключевая инновация заключается в замене тяжелых стеклянных покрытий земного производства на стекло, изготовленное из реголита, так называемое «лунное стекло».
В исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Device, использовался имитатор лунной пыли. Путем его плавления при высоких температурах было получено лунное стекло. Это стекло затем было скомбинировано с перовскитом — классом кристаллов, известных своей способностью эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество, а также относительной дешевизной и простотой производства.
Созданные прототипы продемонстрировали способность эффективно преобразовывать солнечный свет. Путем оптимизации толщины лунного стекла и состава ячейки удалось достичь эффективности в 10%. Исследователи полагают, что при использовании более прозрачного лунного стекла этот показатель можно повысить до 23%. Хотя начальная эффективность ниже, чем у передовых земных аналогов, возможность производства большого количества панелей непосредственно на Луне компенсирует этот недостаток.
Применение лунного стекла позволяет радикально снизить массу полезной нагрузки при запусках с Земли — по оценкам, на 99,4%. Это, в свою очередь, может сократить транспортные расходы на 99%. В результате, на каждый грамм материала, доставленного в космос для создания таких панелей, можно будет получить до 100 раз больше энергии по сравнению с традиционными солнечными батареями, привезенными с Земли.
Важнейшим преимуществом панелей с лунным стеклом является их повышенная устойчивость к космической радиации. В ходе тестов образцы подвергались облучению, имитирующему условия космоса. Версии с лунным стеклом показали лучшие результаты, чем аналоги с обычным земным стеклом. Стандартное стекло под воздействием радиации темнеет («коричневеет»), что снижает его прозрачность и эффективность панели. Лунное стекло изначально имеет коричневатый оттенок из-за примесей в реголите, что стабилизирует материал и предотвращает дальнейшее потемнение под действием радиации.
Процесс изготовления лунного стекла относительно прост и не требует сложных этапов очистки исходного реголита. Необходимые для плавления высокие температуры могут быть достигнуты с помощью концентрированного солнечного света, что также является преимуществом для лунных условий.
Несмотря на многообещающие результаты, существуют вызовы для практического применения технологии на Луне. Низкая гравитация может повлиять на процесс формирования стекла. Растворители, используемые сейчас для нанесения перовскитных слоев, не будут работать в условиях лунного вакуума. Кроме того, резкие перепады температур на Луне могут представлять угрозу для стабильности материалов.
Следующим шагом команды Феликса Ланга является проведение мелкомасштабного эксперимента непосредственно на Луне для проверки работоспособности и долговечности таких солнечных элементов в реальных условиях лунной среды.
Разработка солнечных панелей из реголита является частью более широких усилий по освоению лунных ресурсов (ISRU), которые также включают проекты по извлечению воды для производства ракетного топлива или созданию строительных материалов, таких как лунные кирпичи. В перспективе, технология превращения лунной пыли в эффективные источники энергии может обеспечить энергетические потребности будущих лунных баз и поселений, делая долгосрочное присутствие человека на Луне более реальным.
