Лунная пыль, которая десятилетиями считалась проблемой для лунных экспедиций, может решить ключевой вопрос освоения космоса. Ученые нашли способ, как превратить ее в важный элемент для производства энергии. Теоретически такая технология способна снизить затраты на запуск материалов в космос и приблизит создание постоянных лунных баз.
Солнечные батареи — основной источник энергии для космических миссий. Современные модели эффективны, но их производство и транспортировка обходятся дорого. Например, солнечные батареи с КПД 30-40% покрывают специальным защитным стеклом или толстой пленкой для защиты от радиации. Это увеличивает массу груза: каждый дополнительный килограмм, отправленный в космос, обходится в тысячи долларов. Для лунных баз потребуются тонны оборудования, и доставка даже минимального комплекта выльется в большую сумму.
Ученые десятилетиями искали способы использовать ресурсы других планет. Лунный реголит — рыхлый поверхностный слой из пыли и камней — рассматривали как материал для строительства, добычи воды и кислорода. Теперь исследователи выяснили, что его можно превратить в основу для солнечных батарей, что позволит создавать их прямо на месте. По мнению экспертов, это может сократить массу полезной нагрузки почти на 99% и настолько же снизить затраты на транспортировку.
Команда немецких инженеров под руководством Феликса Ланга (Felix Lang) из Потсдамского университета предложила новый способ создания солнечных батарей. Они использовали материал, имитирующий лунную пыль, который смогли превратить в стекло, способное заменить традиционное защитное покрытие солнечных батарей. Новый метод позволил создать более легкие и устойчивые к радиации панели. В качестве активного материала ученые взяли перовскиты — кристаллы, которые очень эффективно преобразуют солнечный свет в электричество.
Исследователи переплавили вещество, имитирующее лунную пыль, в стекло. Затем создали солнечные ячейки, соединив «лунное стекло» с перовскитом. Эти кристаллы проще в изготовлении, дешевле и легче, чем кремний, из которого обычно делают солнечные панели.
Во время эксперимента выяснилось, что у солнечных батарей на основе «лунного стекла» эффективность в 100 раз выше эффективности стандартных на каждый грамм материала, отправленного в космос. То есть, если взять один грамм такой батареи и один грамм обычной, «лунная» даст в 100 раз больше энергии. Получается, на киловатт мощности батареи нужно будет привезти с Земли в 100 раз меньше материала.
Тесты показали, что «лунное стекло» лучше противостоит радиации. Обычное стекло под космическим излучением темнеет, блокируя свет. Но естественный коричневый оттенок лунной пыли из-за примесей железа и титана в ее составе стабилизирует материал. После облучения «лунные» панели сохранили работоспособность, тогда как земные аналоги начали деградировать.
Имитатор лунной пыли, «лунное стекло» и получившиеся солнечные элементы. Также представлены микрофотография поперечного сечения и кристаллическая структура перовскита
Источник изображения: Sercan Özen
Процесс производства «лунного стекла» оказался довольно простым. Его можно расплавить с помощью концентрированного солнечного света. Регулируя толщину стекла и состав солнечной батареи, ученые достигли КПД 10%. Однако они уверены, что очистка лунной пыли от примесей повысит показатель до 23%.
Несмотря на перспективность технологии, остается ряд нерешенных вопросов. Перовскитов на Луне нет, по-видимому, их планируют создавать уже на поверхности спутника. Для их получения необходимы растворители, которые испаряются в вакууме.
Лунная гравитация, которая в шесть раз слабее земной, может повлиять на процесс формирования стекла. То же самое касается температурных колебаний.
Перепады температур от минус 173 до плюс 127 градусов Цельсия способны повредить структуру панелей. Чтобы проверить технологию в реальных условиях, немецкие инженеры планируют отправить экспериментальную установку на Луну.
Научная работа опубликована в журнале Device.
