Солнечные батареи в космосе: эффективны ли они там?

Презентация полупроводниковых панелей современного типа и первый запуск космического спутника произошли практически одновременно – с разницей всего несколько месяцев 63 года назад. Такое совпадение можно назвать символичным – ведь именно солнечные батареи, способные улавливать и преобразовывать фотоны света в электричество, стали главным источником энергии абсолютного большинства аппаратов, длительно работающих в космосе.

Почему выбор пал на солнечные батареи?

Освоение околоземного космического пространства, а в перспективе – планет, спутников, комет и астероидов Солнечной системы требует создания устройств, способных не просто кружится на орбите под действием гравитации и центробежного ускорения, но и полноценно работать за пределами Земли. Для этого необходим постоянный приток энергии, но заправочных станций реактивного топлива за пределами планеты пока не существует, а термоядерные двигатели – дело не самого близкого будущего. Поиск иного, внешнего и стабильного источника, дал единственный возможный ответ – таковым, при современном уровне развития технологий, может служить только Солнце.

Возникновение и применение солнечной энергетики в космосе

Не только идея, но и научное обоснование использования в космических аппаратах фотоэлектрических панелей принадлежит советскому ученому, крупнейшему специалисту в области электрофизики Н. С. Лидоренко. Им же произведен первый расчет эффективности солнечных батарей в космосе, исходя из технологических возможностей 1960 — 1970 годов. Модули на базе расчетов Лидоренко оказались дорогими, но надежными, и многие принципы их создания лежат в основе современных космических панелей.

Благодаря энергии, получаемой от солнечных панелей, в космосе успешно работают:

• 241 из 244 межпланетных станций, старейшая из которых – «Пионер-5» – была запущена СССР в 1960 году (исключение составляют лишь аппараты, подобные «Вояджерам», отправленные в сверхдальний космос с двигателями на радиоизотопах);
• 72 из 79 луноходов и спускаемых на Луну модулей (оставшиеся 7 не предназначались для длительной работы и представляли собой обычные спускаемые посадочные капсулы);
• 12 из 14 марсоходов (первые два, советские «Марс-2» и «Марс-3», отправленные в 1971 году, перестали передавать сигнал сразу после посадки);
• несколько сотен стационарных орбитальных спутников.

Это лучшее подтверждение того факта, что в качестве источника энергии солнечные батареи в космосе пока не имеют достойных альтернатив.

Плюсы и минусы космических гелиопанелей

Основными преимуществами использования батарей на орбите являются:

• постоянное присутствие Солнца;
• более высокая плотность электромагнитного потока;
• отсутствие атмосферных помех;
• независимость от погоды.

Основными недостатками функционирования панелей в космосе служат:

• ускоренная деградация ячеек (происходит под влиянием жесткого радиационного излучения, разрушающего любые материалы);
• большая стоимость вывода на орбиту (в настоящий момент минимальная цена вывода на НОО всего 1 кг массы составляет около $2000);
• необходимость многократного дублирования электрических сетей и повышенные требования к механической защите (серьезные повреждения ячейкам способны нанести даже микрометеориты размером с рисовое зернышко – из-за их космических скоростей).

Тем не менее, современные солнечные батареи, работающие в космосе, обладают КПД более 40%, а их производительность на 50-55% выше, чем модулей аналогичного типа и мощности на земле.

Космические СЭС будущего – нужны ли они?

С обеспечением больших и малых космических аппаратов – от летающих телескопов типа Хаббла до Международной космической станции – солнечные панели справляются превосходно. Но целью энергетики будущего является создание в космосе полноценных гелиостанций, снабжающих энергией Землю. Технологических препятствий для этого не существует, и на сегодняшний день проблема заключается только в экономической целесообразности.

Почему эта идея не покидает умы ученых и инженеров? Главные причины следующие:

1. Эффективность солнечных батарей в космосе в полтора раза выше, чем на земле. Это означает, что при появлении нескольких прорывных технологий – в частности, дешевой доставки грузов на орбиту космическими лифтами – создание огромных полей фотоэлектрических панелей станет экономически выгодным.
2. За пределами планеты нет проблем с участками. Теоретически преобразователи энергии могут представлять собой сплошное кольцо или густую сеть в околоземном пространстве.
3. Космические модули не будут зависеть от погоды и вынужденного простоя ночью.

Противники данного направления развития солнечной энергетики в качестве аргументов приводят следующие утверждения.

1. Мощный поток излучения от крупной эффективной солнечной батареи в космосе опасен для озонового слоя, в котором он будет «прожигать» дыры.
2. Поступление с орбиты на поверхность планеты избыточного количества энергии приведет к быстрому повышению средней температуры на планете.

Кто в этом вопросе прав – судить пока рано, поскольку технические и финансовые трудности подобных проектов не позволяют говорить об их осуществлении ранее середины XXI века.

Какие солнечные батареи наиболее эффективны в космосе?

На протяжении почти 50 лет единственным возможным вариантом панелей для внеземных аппаратов были кремниевые модули, но в настоящий момент предпочтение отдается тонкопленочным панелям.

При экономии на технологиях вспомогательного повышения КПД (фокусирующих линзах, зеркалах, искусственном охлаждении и т.д.) панелей равных многослойным гибридам на базе теллурида кадмия или сульфида германия и индия пока не существует. Лучшие такие «космические» образцы показывают КПД, близкий к 50%, а «наземная» тонкопленочная массовая продукция на 20-25% превосходит по эффективности кремниевых конкурентов.

К таким батареям относятся последние тонкопленочные модели панелей компании First Solar (США), которые можно приобрести в Украине у официального дистрибьютера американского концерна, отечественной фирмы Green Tech Trade.