يمكن استخدام خلية كهروضوئية جديدة فائقة الرقة كمصدر طاقة للأقمار الصناعية في مناطق من الفضاء تتعرض لمستويات عالية من الإشعاع. تم تطوير الجهاز بواسطة باحثين من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة ، ويستخدم الجهاز طبقة رقيقة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) لامتصاص الضوء وهو أكثر قوة في مواجهة إشعاع البروتون من الأجهزة السميكة التي تمت دراستها سابقًا.
الإشعاع الكوني هو إشعاع مؤين يتكون من مزيج من الأيونات الثقيلة والأشعة الكونية (بروتونات عالية الطاقة وإلكترونات ونوى ذرية). يحمينا المجال المغناطيسي للأرض من 99.9٪ من هذا الإشعاع ، ونسبة 0.1٪ المتبقية يخففها الغلاف الجوي بشكل كبير. ومع ذلك ، لا تتلقى المركبات الفضائية مثل هذه الحماية ، ويمكن للإشعاع أن يتلف أو يدمر إلكترونياتها الموجودة على متنها.
تصيد العيوب الناتجة عن الإشعاع حاملات الشحنات المنشطة ضوئيًا
في الخلايا الشمسية ، يتسبب التلف الإشعاعي في حدوث عيوب في المواد الكهروضوئية التي تشكل طبقة تجميع الضوء في الخلية. تحبس هذه العيوب ناقلات الشحنة المنشطة ضوئيًا المسؤولة عن توليد تدفق التيار الكهربائي عبر المادة ، مما يقلل من التيار ويخفض في النهاية خرج الطاقة للخلية.
كلما زادت المسافة التي يجب أن تنتقل بها الجسيمات المشحونة عبر الخلية الشمسية ، زادت احتمالية مواجهتها للخلل وحبسها. ومن ثم ، فإن تقليل مسافة السفر هذه يعني أن جزءًا أصغر من الجسيمات سيصبح محاصرًا بسبب العيوب.
طريقة واحدة للقيام بذلك هي جعل الخلايا الشمسية أرق. في العمل الجديد ، بقيادة الباحثين ارمين بارثيل فعلوا ذلك بالضبط ، حيث صنعوا خلاياهم من كومة من المواد شبه الموصلة بطبقة تمتص الضوء من GaAs بسمك 80 نانومتر فقط.
لاختبار ما إذا كانت هذه الإستراتيجية ناجحة ، قام الفريق بتقليد تأثيرات الإشعاع الكوني عن طريق قصف الخلية الجديدة بالبروتونات المتولدة في منشأة دالتون كومبريان النووية في المملكة المتحدة. ثم قاموا بعد ذلك بقياس أداء الخلية باستخدام مزيج من التلألؤ الكاثوليكي الذي تم حله بمرور الوقت ، والذي يقيس مدى الضرر الإشعاعي ، وجهاز يُعرف باسم المحاكي الشمسي المضغوط الذي يحدد مدى جودة تحويل الأجهزة التي تعرضت للقصف لضوء الشمس إلى طاقة.
وجد بارثيل وزملاؤه أن عمر حاملات الشحن في أجهزتهم انخفض من حوالي 198 بيكو ثانية (10).-12 ق) ما قبل الإشعاع إلى حوالي 6.2 بيكو ثانية بعد ذلك. ومع ذلك ، ظل التيار الفعلي ثابتًا حتى عتبة معينة من تأثير البروتون ، والتي انخفض بعدها بشكل حاد. يقول الباحثون إن هذا الانخفاض يرتبط بالنقطة التي يصبح عندها عمر الناقل ، المحسوب من التلألؤ الكاثودي ، مشابهًا للوقت الذي يستغرقه الناقلون لعبور الجهاز الرفيع للغاية.
توليد الطاقة في البيئات الفضائية الصعبة
يقول بارثل: "إن التطبيق المحتمل الرئيسي للأجهزة التي تمت دراستها في هذا العمل هو لتوليد الطاقة في بيئات الفضاء الصعبة". في دراسة تصف البحث تم نشره في مجلة الفيزياء التطبيقيةيقترح الباحثون أن إحدى هذه البيئات قد تكون مدارات أرضية متوسطة (MEOs) مثل مدار Molniya الذي يمر عبر مركز حزام الإشعاع البروتوني للأرض ويستخدم للمراقبة والاتصالات عند خطوط العرض العالية. نظرًا لأن المدارات الأرضية المنخفضة المحمية بشكل أفضل (LEOs) تصبح أكثر تشوشًا ، ستصبح هذه المدارات أكثر أهمية.
تساعد الأنابيب النانوية الكربونية الأجهزة الإلكترونية الموجودة في الفضاء على مقاومة أضرار الإشعاع
ومن الأمثلة الأخرى على ذلك مدار قمر كوكب المشتري أوروبا ، الذي له أهمية علمية خاصة في البحث عن حياة خارج الأرض. يحتوي هذا القمر على واحدة من أكثر البيئات الإشعاعية خطورة في النظام الشمسي ، وسيتطلب هبوط مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية هناك خلايا شديدة التحمل للإشعاع.
على الرغم من أن الخلايا الجديدة مصممة بشكل أساسي كمصدر طاقة للأقمار الصناعية ، كما يقول بارثل عالم الفيزياء أنه "لا يستبعد فكرة" استخدامها لتوليد الطاقة في الفضاء لاستخدامها هنا على الأرض. يخطط هو وزملاؤه الآن لاستخدام ما تعلموه من هذه الدراسة لزيادة تحسين خلاياهم. يوضح بارثل: "حتى الآن ، نظرنا فقط إلى سماكة واحدة لخلايانا فائقة الرقة وستساعدنا نتائجنا في معرفة ما إذا كان هناك سمك مختلف يوفر حل وسط أفضل بين تحمل الإشعاع وامتصاص الضوء". "نحن مهتمون أيضًا بالنظر في تكديس العديد من الخلايا شديدة الرقة لتحسين إنتاج الطاقة وأيضًا تجربة تركيبات مختلفة من المواد."
