С началом активного освоения космического пространства возникла необходимость в обеспечении долговременной эксплуатации космических аппаратов. Для корректировки орбиты, передачи данных и энергоснабжения спутников и обитаемых станций требовался постоянный источник энергии. Единственным доступным источником энергии за пределами Земли являлось Солнце, что привело к появлению солнечных батарей в космосе. Первые солнечные батареи были созданы практически одновременно с началом освоения околоземного пространства. Пионерами в разработке фотовольтаики данного типа стали советские инженеры. Для космических кораблей “Восход”, “Восток” и орбитальных станций “Салют” были использованы гелиопанели, разработанные группой физика Н.С. Лидоренко. Он также провел точные математические расчеты эффективности солнечных батарей в космических условиях на тот период.

Несмотря на то, что КПД кремниевых ячеек в то время едва достигал 8-10%, конструкции модулей отличались высокой надежностью. Основные идеи и технологические решения, разработанные советскими учеными, легли в основу современной космической фотовольтаики.

За прошедшие с той поры 60 лет подобными панелями были оснащены:

• более 250 межпланетных станций (единственное исключение – 4 аппарата, запущенных в дальний космос и получающих энергию от радиоактивных элементов);
• свыше 3300 спутников, включая быстро увеличивающуюся группу «StarLink» Илона Маска;
• 72 лунохода,  длительное функционирование которых требовало постоянного притока энергии;
• 14 марсоходов, включая американский и китайский аппараты, направленные к Марсу в 2020 году.

Достоинства и недостатки солнечных батарей в космосе

Как и любое другое высокотехнологичное оборудование, фотоэлектрические панели для внеземного пространства обладают достоинствами и недостатками.

Плюсы:

• за пределами земли нет атмосферы, дождей и туч, поток солнечного излучения постоянен, а потому панели генерируют ток круглосуточно (исключение – аппараты на Луне и Марсе);
• инсоляция в безвоздушном пространстве значительно выше, что увеличивает эффективность использования солнечных батарей в космосе;
• у космической фотовольтаики КПД достигает 40-45%.

Минусы:

• из-за огромных температурных перепадов, микро метеоритов и жесткого космического излучения панели быстрее деградируют;
• солнечные батареи для космоса обходятся в немалые суммы сами по себе, а их доставка на орбиту требует дополнительные 2-2,5 тысячи долларов за каждый килограмм массы;
• неблагоприятные условия функционирование вынуждают использовать многоуровневую защиту всех элементов модулей, что делает их еще дороже и массивнее.

Тем не менее, достойной альтернативы гелио панелям за пределами планеты для выполнения тех же задач пока не существует.

Космические СЭС будущего

Еще одной невероятно перспективной сферой применения солнечных батарей в космосе является создание в ближайшем будущем масштабных орбитальных электростанций. Причина такого интереса к данному проекту в следующем:

1. Мощность потока излучения нашего светила, направленного в сторону земли, в тысячи раз превосходит всю потребляемую человечеством энергию.
2. Размещение любого количества гелио панелей на орбите ничем не ограничено. Теоретически из них можно образовать огромные поля площадью с миллионы квадратных километров.
3. Генерация энергии будет происходить в режиме 365/24/7, с возможностью передачи ее на землю по микроволновому лучу.

В настоящий момент единственным препятствием реализации такого проекта является его запредельная стоимость. Однако в будущем, с появлением технологий вроде «космического лифта», вывод на орбиту грузов подешевеет примерно в 1000 раз. И тогда создание подобных «СЭС будущего» может превратиться в реальность.

Какие солнечные батареи в космосе обеспечивают наибольшую эффективность?

Изначально космические панели создавались на базе монокристаллического кремния. Помимо низкой производительности, они имели и ряд других недостатков.

Сегодня в фотовольтаике для внеземного пространства используются исключительно тонкопленочные технологии. Основой ячеек являются композиты редкоземельных элементов типа CIGS, представляющие собой чередующиеся слои сульфидов галлия, индия и прочих редких металлов.

Это позволяет кардинально повысить поглощение фотонов разной длины волны, что увеличивает КПД и долговечность системы в несколько раз.

Такие солнечные батареи обходятся дороже, но в космической промышленности цена играет далеко не самую важную роль.

Испытания 3D-солнечной батареи на МКС

В настоящее время повсюду используются уплощённые солнечные батареи, никто даже не задумывался, что они могут быть иными. По мнению Джеффри Гроссмана, физика-теоретика из Массачусетского технологического института, трёхмерные солнечные батареи более эффективны в использовании солнечного света для выработки электроэнергии, чем плоские. Эффективность работы трёхмерных батарей объясняется тем, что многочисленные плоскости с солнечными панелями внутри «солнечного куба» будут преобразовывать отражённые друг от друга солнечные лучи в электроэнергию, снижая световые потери.

Это значит, что теперь солнечные батареи можно разместить там, где раньше для них попросту не было места.

Две перспективных формы 3D-панелей

Эту идею Гроссману подсказала природа. Отдыхая под пышной кроной дерева, он задумался над тем, что листьям, располагающимся в гуще кроны, вполне достаточно отражённого солнечного света для получения энергии. Если природа для преобразования солнечной энергии в энергию химических связей использует объёмные структуры, тогда почему бы человеку не взять это на вооружение?

Ученые Технологического института Джорджии разработали трехмерные солнечные панели, которые через несколько дней отправятся в космос на ракете SpaceX. Солнечные панели будут протестированы на Международной космической станции, чтобы определить, насколько хорошо они работают и как реагируют на космические условия. Эти солнечные батареи были разработаны таким образом, чтобы улавливать солнечные лучи при любом угле падения, что помогло бы космическому кораблю получать больше мощности от ограниченной площади поверхности.

Экспериментальный модуль, отправляющийся в космос, включает в себя четыре различных типа солнечных батарей. Один из них «традиционная земная» солнечная батарея, а второй представляет собой планарную ячейку на основе разработки соединения недорогих материалов: медно-цинко-оловянно-сульфидная ячейка (CZTS).

Есть также два других типа трехмерных солнечных батарей: «одни на основе CZTS», а другие «на основе обычного теллурида кадмия». В общей сложности, в космосе будут испытаны 18 солнечных батарей в течение шести месяцев.

«Фотоэлектрические массивы CZTS были произведены с использованием легкодоступных элементов меди, цинка, олова и серы, чтобы заменить более редкие CIGS – индий, галлий и селен – которые используются в аналогичных тонкопленочных солнечных батареях», сказал Джуд Рэди (Jud Ready), главный инженер-исследователь в Технологическом институте Джорджии и профессор в школе материаловедения и инженерии Джорджии.

«Метод CZTS обеспечивает эффективное фото-поглощение с использованием материалов, которые доступны в избытке и стоят примерно в тысячи раз меньше, чем редкоземельные элементы, такие как индий, галлий и селен».

Трехмерные солнечные панели могут навсегда изменить способ обеспечения электроэнергией космических аппаратов. Солнечные батареи Технологического института Джорджии выглядят как миниатюрные «башни, покрытые фото-поглотителем, что позволяет улавливать солнечный свет со всех сторон».

Ячейки будут поглощать свет с любого направления, устраняя необходимость в механических устройствах, которые поворачивают фотоэлектрические модули к солнцу. Традиционным плоским конструкциям солнечных панелей для эффективной работы требуются прямые солнечные лучи, когда инновационные солнечные элементы могут улавливать солнечный свет в течение более длительного периода времени.

«Мы хотим проверить эффективность улавливания солнечного света наших 3-D солнечных батарей и как они будут реагировать на суровые условия открытого космоса», сказал Джуд Рэди. «Мы также будем измерять производительность в зависимости от температуры, так как температура оказывает влияние на производительность солнечных батарей».

Трехмерная структура может оказаться особенно ценной на Международной космической станции, где ежедневно проходит до 15-16 восходов и закатов, так как она огибает орбиту каждые 92 минут.

Кроме того, как говорит Рэди, прямозонные материалы имеют хорошую стойкость к мощным ионизирующим излучениям, встречающимся в космосе.

После шести месяцев испытаний, солнечные батареи будут возвращены на Землю. «Если солнечные панели смогут выжить в космосе, в самых тяжелых условиях с точки зрения широких температурных перепадов, радиации, а также, учитывая множество других факторов, то мы можем быть уверены, что они будут хорошо работать на Земле».