Забезпечення космічних апаратів електроенергією — одне із найважливіших завдань, яке впливає на успіх і тривалість космічних місій. У внутрішній частині нашої Сонячної системи (до орбіти Юпітера) ця проблема часто вирішується шляхом збирання та перетворення світлового (або фотонного) випромінювання Сонця на електричну енергію. За цей процес відповідають орбітальні сонячні панелі та батареї, що встановлюються на супутники і планетарні ровери. Саме вони живлять багаторічну дослідницьку діяльність, дозволяючи космічним апаратам постійно відновлювати свій енергетичний ресурс за рахунок енергії Сонця.
Принцип роботи сонячних панелей
Вперше здатність деяких матеріалів генерувати електричний заряд під впливом сонячного світла була описана французьким фізиком Едмоном Беккерелем 1839 року. Згодом, у 1873 році, англійський інженер-електрик Віллоубі Сміт повторив експеримент Беккереля, використовуючи як світлопоглинальну поверхню селен.
Спостереження цього процесу перетворення променистої енергії на електричну лягли в основу праці, яка отримала назву: “Дія світла на селен” (опублікована 1876 року Вільямом Гріллсом Адамсом і Річардом Евансом Дейєм). Через вісім років з’явилися перші комерційні сонячні панелі, запатентовані американцем Чарльзом Фріттсом в 1881 році. Попри новаторство технології, потужність панелей була вкрай мала порівняно з тією, яку могли надати вугільні електростанції того часу.
В основі дії більшості наземних сонячних панелей лежать комірки кристалічних кремнієвих елементів (c-Si). Сонячні фотони надходять на поверхню фотоелементів (solar cell), в результаті чого з атомів кремнію вибиваються електрони, які потім уловлюються на детекторі та у вигляді електричного заряду надходять в акумуляторні батареї, що накопичують та зберігають цю енергію.
Дані кремнієві стільники поєднуються один із одним у модулі, з яких своєю чергою і складається полотно сонячної панелі. Для створення великих обсягів енергії сонячні панелі об’єднують у масиви сонячних модулів, з яких складаються сучасні фотоелектричні системи (PV-systems від PhotoVoltaic-system). Таке багаторівневе об’єднання поглинальних елементів у структури здатне на виході генерувати великі обсяги електроенергії, і навіть компенсувати її нестачу у разі затінення та простою панелей у хмарну погоду.
Деякі PV-системи обладнуються вбудованим механізмом стеження за ходом Сонця, який автоматично повертає сонячні панелі таким чином, щоб рівень поглинання випромінювання був максимальним. Складна, але водночас вишукана конструкція фотоелектричних систем дозволила їм стати чудовою альтернативою з видобутку енергії (особливо для живлення малопотужних енергетичних систем), при цьому екологічно чистою та фактично невичерпною.
Земна атмосфера відбиває і розсіює певну частину сонячного випромінювання, що надходить на неї — ми можемо спостерігати ці оптичні спотворення світла, коли дивимося на веселку або промені західного сонця. В умовах космічного вакууму цих втрат не існувало б, що дозволило б суттєво збільшити кількість енергії від прямого сонячного випромінювання. Це стало чудовою ідеєю для живлення перших космічних апаратів. І щойно людство впритул наблизилося до початку космічної ери, про сонячні панелі знову згадали.
Перші сонячні панелі на орбіті
Зі стартом космічних перегонів між СРСР і США на початку 1957 року інженери та конструктори почали вивчати можливість живлення перших супутників сонячною енергією. У якості поглинальної поверхні були обрані кремнієві пластини, які 1954 року розробила компанія Bell Labs, що мала намір за їхньою допомогою живити телефонні ретранслятори.
Ефективність перетворення (променистої енергії на електричну) перших сонячних панелей на основі комірок з кристалічного кремнію становила ≈6%, чого було недостатньо для забезпечення потреб космічних апаратів. Технологію сонячних панелей почали вдосконалювати. Першим робочим космічним апаратом, який використовував сонячне світло для живлення своїх наукових модулів, став американський зонд Vanguard 1, запущений 17 березня 1958 року.
Успішна місія Vanguard надихнула компанію Spectrolab на створення сонячних панелей для апарата Pioneer 1, який планувалося запустити місячною орбітальною траєкторією для проведення низки наукових досліджень. Попри провал цієї місії внаслідок неправильного розрахунку навігації в галузі енергопостачання, Pioneer 1, вочевидь, вдався. Наступні покоління сонячних панелей для живлення космічного обладнання розробки Spectrolab були доставлені на Місяць вже у складі науково-дослідного комплексу ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package) у межах місій NASA Apollo 11, 12, 14, 15, 16 та 17.
Під час виходу астронавтів на поверхню Місяця сонячні панелі із кремнію забезпечували живлення для кількох експериментів, зокрема сейсмічного. Завдяки ньому астронавти змогли вивчати коливання місячної кори та доправити на Землю дані, які сформували уявлення про склад, щільність та структуру нашого супутника.
Нові типи фотоелементів: можливості “Юнони”
Ефективність перетворення сонячних панелей, обладнаних кристалічними кремнієвими елементами, досягла свого максимуму в 1970-х роках, коли їхній ККД становив ≈12%. Витиснути більше із кристалів кремнію вже фізично не видавалося можливим. Космічним конструкторам та інженерам стало ясно, що для майбутніх, більш великих космічних місій знадобляться потужніші PV-системи. Результатом досліджень у цьому напрямі стала поява напівпровідників, що складалися з арсеніду галію (GaAs). Матеріал майже втричі збільшив ефективність перетворення сонячного випромінювання на електроенергію порівняно з кремнієвими фотоелементами, довівши цю цифру до ≈30%. Наразі переважна більшість космічних супутників, які живляться від Сонця, обладнані сонячними панелями із стільниками, які виконані саме з цього матеріалу.
Високий ККД сонячних панелей на основі арсеніду галію дозволив NASA здійснити місію із запуску до Юпітера космічного апарата “Юнона” (Juno). Зонд було запущено 5 серпня 2011 року у межах програми New Horizons. “Юнона” вийшла на орбіту газового гіганта на початку липня 2016 року.
Сонячні панелі космічного апарата являли собою три ідентичні одна одній поглинальні лопаті, кожна по 9 м завдовжки, які загалом розмістили на собі 18 698 фотоелементів, що покривали площу 60 кв. м. Загальна вага масиву сонячних панелей — 340 кг. Такий великий обсяг поглинальної поверхні необхідний, адже на орбіті Юпітера інтенсивність сонячного випромінювання становить лише 4% від аналогічного показника на земній орбіті.
На сьогодні “Юнона” є самим віддаленим від Землі рукотворним космічним апаратом, всі системи якого живляться виключно за рахунок сонячної енергії.
За вже більш ніж шість років своєї роботи “Юнона” зробила безліч прекрасних знімків Юпітера та завершила десятки наукових експериментів. Зокрема, дослідила магнітні полюси планети, провела спектрохімічний аналіз полюсів Юпітера, виявивши в його атмосфері наявність іонів водню, кисню, літію та сірки.
Сонячні панелі, що використовують напівпровідникові фотоелементи з арсеніду галію, встановлювалися не тільки на супутники, а й на роботизовані планетарні ровери. Зокрема, вони живили енергією пару марсоходів-близнюків: Opportunity та Spirit, які спустилися на поверхню Червоної планети у січні 2004 року.
Сонячні панелі, встановлені на марсоходах, дозволяли їм генерувати до 140 Вт енергії, чого було цілком достатньо для забезпечення потреби в русі апарата (ровер витрачав на це лише 100 Вт). Варто зазначити, що сонячні батареї були не єдиним джерелом живлення на Opportunity. Холодні марсіанські ночі, коли температура іноді опускається до -100°C, вимагали наявності системи нічного обігріву сонячних батарей, оскільки їхня температура не повинна була опускатися нижче -20°C. В результаті цього на Opportunity і Spirit з’явилися електричні обігрівачі, які працювали на ядерному паливі — плутонії-238.
Марсохід Spirit застряг у кам’янистому ґрунті Червоної планети у 2009 році і був відключений у 2010-му, а його брат-близнюк пропрацював понад 5000 днів і завершив свою місію лише 2018 року. Грамотне використання сонячної енергії в комбінації з електричними обігрівачами, що працюють на ядерному паливі, дозволили Opportunity збільшити свій розрахунковий термін служби в 57 разів.
Очікується, що майбутні розробки у сфері орбітальних сонячних панелей та акумуляторів дадуть змогу космічним апаратам ще більше подовжити свій експлуатаційний період. Водночас нові надлегкі та ультратонкі матеріали, що використовуються як напівпровідникові фотоелементи, дозволять вловлювати сонячне світло значно далі від орбіти Юпітера.
Майбутнє супутникових сонячних панелей: далі, легше, тонше
Варто розуміти, що сонячні панелі, встановлені на запущеній 12 років тому “Юноні”, були спроєктовані в 2005 році, і вже не є передовою розробкою в галузі енергоживлення космічних апаратів. Нове покоління сонячних панелей, які вводяться в експлуатацію сьогодні, будуть здатні запускати космічні апарати, що живляться за їхньою допомогою, аж до орбіти Сатурна, де інтенсивність випромінювання Сонця становить лише 1,1% від земної.
Разом із цим компанії, що розробляють нові орбітальні сонячні панелі, постійно збільшують не тільки поглинальну здатність фотоелементів, але й роблять їх легше і тонше, що відіграє важливу роль в умовах здорожчання виведення на орбіту корисного навантаження. 2020 року ESA представила свої нові поглинальні фотоелементи, товщина яких становить всього 0,02 мм. Винахід отримав назву Bendy та став спільною розробкою німецької Azur Space Solar Power і голландської tf2.
Фотоелементи Bendy від ESA можуть стати чудовим рішенням при розміщенні на наносупутниках, угруповання яких останніми роками все частіше з’являються на орбіті, а також повністю задовольнити енергетичні потреби висотних стратостатів.
Станом на зараз сонячні панелі, що використовуються на космічних апаратах, є одними із найбезпечніших (на відміну від ядерних і радіоізотопних) та екологічних способів отримання відновлюваної сонячної енергії. Універсальність технології разом із поступовим зниженням цін на нові типи енергоефективних сонячних панелей змусила космічні агенції та приватні компанії всерйоз задуматися про інтеграцію орбітальних фотоелектричних систем у нову енергетику. У наступній статті ми розповімо, які варіанти орбітальних сонячних енергостанцій розглядають провідні космічні агентства світу вже сьогодні.
