Снабжение космических аппаратов электроэнергией — одна из важнейших задач, напрямую влияющая на успех и продолжительность космических миссий. Во внутренней части нашей Солнечной системы (вплоть до орбиты Юпитера) эта проблема часто решается путем сбора и преобразования светового (или фотонного) излучения Солнца в электрическую энергию. За этот процесс отвечают орбитальные солнечные панели и батареи, устанавливаемые на спутники и планетарные роверы. Именно они питают многолетнюю исследовательскую деятельность, позволяя космическим аппаратам постоянно возобновлять свой энергетический ресурс за счет энергии Солнца.
Принцип работы солнечных панелей
Впервые способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при воздействии солнечного света была описана французским физиком Эдмоном Беккерелем в 1839 году. Впоследствии, в 1873 году, английский инженер-электрик Уиллоуби Смит повторил эксперимент Беккереля, используя в качестве светопоглощающей поверхности селен.
Наблюдения этого процесса преобразования лучистой энергии в электрическую легли в основу труда, получившего название: «Действие света на селен» (опубликован в 1876 году Уильямом Гриллсом Адамсом и Ричардом Эвансом Дэйем). Спустя восемь лет появились первые коммерческие солнечные панели, запатентованные американцем Чарльзом Фриттсом в 1881 году. Несмотря на новаторство технологии, мощность панелей была крайне мала в сравнении с той, которую могли предоставить угольные электростанции того времени.
В основе действия большинства наземных солнечных панелей лежат ячейки кристаллических кремниевых элементов (c-Si). Солнечные фотоны поступают на поверхность фотоэлементов (solar cell), в результате чего из атомов кремния выбиваются электроны, которые потом улавливаются на детекторе и в виде электрического заряда поступают в аккумуляторные батареи, накапливающие и сохраняющие эту энергию.
Данные кремниевые соты объединяются друг с другом в модули, из которых, в свою очередь, и состоит полотно солнечной панели. Для генерации больших объемов энергии солнечные панели объединяют в массивы солнечных модулей, из которых состоят современные фотоэлектрические системы (PV-systems от PhotoVoltaic-system). Такое многоуровневое объединение поглощающих элементов в структуры способно на выходе генерировать большие объемы электроэнергии, и даже компенсировать ее недостаток в случае затенения и простоя панелей в облачную погоду.
Некоторые PV-системы оборудуются встроенным механизмом слежения за ходом Солнца, который автоматически поворачивает солнечные панели таким образом, чтобы степень поглощения излучения была максимальной. Сложная, но в то же время изысканная конструкция фотоэлектрических систем позволила им стать отличной альтернативой по добыче энергии (особенно для питания маломощных энергетических систем), при этом экологически чистой и фактически неисчерпаемой.
Земная атмосфера отражает и рассеивает определенную часть поступающего на нее солнечного излучения — мы можем наблюдать эти оптические искажения света, когда смотрим на радугу либо лучи закатного солнца. В условиях космического вакуума этих потерь бы не существовало, что позволило бы существенно увеличить количество энергии от прямого солнечного излучения. Это стало отличной идеей для питания первых космических аппаратов. И как только человечество вплотную приблизилось к началу космической эры, про солнечные панели вспомнили опять.
Первые солнечные панели на орбите
Со стартом космической гонки между СССР и США в начале 1957 года инженеры и конструкторы начали рассматривать возможность питания первых спутников солнечной энергией. В качестве поглощающей поверхности были выбраны кремниевые пластины, которые в 1954 году разработала компания Bell Labs, рассчитывая с их помощью питать телефонные ретрансляторы.
Эффективность преобразования (лучистой энергии в электрическую) первых солнечных панелей на основе ячеек из кристаллического кремния составляла ≈6%, чего было недостаточно для обеспечения потребностей космических аппаратов. Технологию солнечных панелей принялись совершенствовать. Первым рабочим космическим аппаратом, который использовал солнечный свет для питания своих научных модулей, стал американский зонд Vanguard 1, запущенный 17 марта 1958 года.
Успешная миссия Vanguard вдохновила компанию Spectrolab на создание солнечных панелей для аппарата Pioneer 1, который планировалось запустить по лунной орбитальной траектории для проведения ряда научных исследований. Несмотря на провал этой миссии в результате неправильного расчета навигации, в области энергоснабжения Pioneer 1 очевидно удался. Следующие поколения солнечных панелей для питания космического оборудования разработки Spectrolab были доставлены на Луну уже в составе научно-исследовательского комплекса ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package) в рамках миссий NASA Apollo 11,12, 14, 15, 16 и 17.
Во время выхода астронавтов на поверхность Луны солнечные панели из кремния обеспечивали питание для ряда экспериментов, в частности сейсмического. Благодаря нему астронавты смогли изучать колебания лунной коры и доставить на Землю данные, которые сформировали представление о составе, плотности и структуре нашего спутника.
Новые типы фотоэлементов: возможности «Юноны»
Эффективность преобразования солнечных панелей, оборудованных кристаллическими кремниевыми элементами, достигла своего максимума в 1970-х годах, когда их КПД составлял ≈12%. Выжать больше из кристаллов кремния уже физически не представлялось возможным. Космическим конструкторам и инженерам стало очевидно, что для будущих, более обширных космических миссий потребуются PV-системы помощнее. Результатом исследований в этом направлении стало появление ячеек полупроводников, состоящих из арсенида галлия (GaAs). Материал почти втрое увеличил эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию по сравнению с кремниевыми фотоэлементами, доведя эту цифру до ≈30%. Теперь подавляющее большинство космических спутников, питающихся от Солнца, оборудованы солнечными панелями, соты которых выполнены из этого материала.
Высокий КПД солнечных панелей на основе арсенида галлия позволил NASA осуществить миссию по запуску к Юпитеру космического аппарата «Юнона» (Juno). Зонд был запущен 5 августа 2011 года в рамках программы New Horizons. «Юнона» вышла на орбиту газового гиганта в начале июля 2016 года.
Солнечные панели космического аппарата представляют собой три идентичные друг другу поглощающие лопасти, каждая по 9 м длиной, которые в общей сложности размещают на себе 18 698 фотоэлементов, покрывающих площадь в 60 кв. м. Общий вес всего массива солнечных панелей — 340 кг. Такой большой объем поглощающей поверхности необходим, потому что на орбите Юпитера интенсивность солнечного излучения составляет всего 4% от аналогичного показателя на земной орбите.
На сегодняшний день «Юнона» является самым удаленным от Земли рукотворным космическим аппаратом, все системы которого питаются исключительно за счет солнечной энергии.
За уже более чем шесть лет своей работы «Юнона» сделала множество прекрасных снимков Юпитера и закончила десятки научных экспериментов. В частности, исследовала магнитные полюса планеты, провела спектрохимический анализ полюсов Юпитера, обнаружив в его атмосфере наличие ионов водорода, кислорода, лития и серы.
Солнечные панели, использующие полупроводниковые фотоэлементы из арсенида галлия, устанавливались не только на спутники, но и на роботизированные планетарные роверы. Так, они питали энергией пару марсоходов-близнецов — Opportunity и Spirit, которые спустились на поверхность Красной планеты в январе 2004 года.
Солнечные панели, установленные на марсоходах, позволяли им генерировать до 140 Вт энергии, чего было полностью достаточно для обеспечения потребности в движении аппарата (ровер тратил на это всего 100 Вт). Стоит отметить, что солнечные батареи были не единственным источником питания на Opportunity. Холодные марсианские ночи, когда температура иногда опускается до -100°C, требовали наличия системы ночного обогрева солнечных батарей, так как их температура не должна была опускаться ниже -20°C. В результате этого на Opportunity и Spirit появились электрические обогреватели, работавшие на ядерном топливе — плутонии-238.
Марсоход Spirit застрял в каменистом грунте Красной планеты в 2009 году и был отключен в 2010-м, а его брат-близнец проработал свыше 5000 дней и завершил свою миссию только в 2018 году. Грамотное использование солнечной энергии в комбинации с электрическими обогревателями, работающими на ядерном топливе, позволили Opportunity увеличить свой расчетный срок службы в 57 раз.
Ожидается, что будущие разработки в сфере орбитальных солнечных панелей и аккумуляторов помогут космическим аппаратам еще больше увеличить свой эксплуатационный период. К тому же новые сверхлегкие и ультратонкие материалы, используемые в качестве полупроводниковых фотоэлементов, позволят улавливать солнечный свет значительно дальше орбиты Юпитера.
Будущее спутниковых солнечных панелей: дальше, легче, тоньше
Стоит понимать, что солнечные панели, установленные на запущенной 12 лет назад «Юноне», были спроектированы в 2005 году, и уже не являются передовой разработкой в области энергопитания космических аппаратов. Новое поколение солнечных панелей, которые сейчас вводятся в эксплуатацию, будут способны запускать космические аппараты, питающиеся с их помощью, вплоть до орбиты Сатурна, где интенсивность излучения Солнца составляет всего 1,1% от земной.
Вместе с этим компании, занимающиеся разработкой новых орбитальных солнечных панелей, постоянно увеличивают не только поглощающую способность фотоэлементов, но и делают их легче и тоньше, что играет важную роль в условиях дороговизны вывода на орбиту полезной нагрузки. В 2020 году ESA представила свои новые поглощающие фотоэлементы, толщина которых составляет всего 0,02 мм. Разработка получила название Bendy и стала совместным детищем немецкой Azur Space Solar Power и голландской tf2.
Фотоэлементы Bendy от ESA обещают стать отличным решением при размещении на наноспутниках, группировки которых все чаще появляются на орбите в последние годы, а также могут полностью удовлетворить энергетические потребности высотных стратостатов.
В настоящее время солнечные панели, используемые на космических аппаратах, являются одними из самых безопасных (в отличие от ядерных и радиоизотопных) и экологичных способов получения возобновляемой солнечной энергии. Универсальность технологии наряду с постепенным снижением цен на новые типы энергоэффективных солнечных панелей вынудила космические агентства и частные компании всерьез задуматься об интеграции орбитальных фотоэлектрических систем в новую энергетику. В следующей статье мы расскажем о том, какие варианты орбитальных солнечных энергостанций рассматривают ведущие космические агентства мира уже сегодня.
