Ένα νέο υπερλεπτό φωτοβολταϊκό στοιχείο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για δορυφόρους σε περιοχές του διαστήματος που παρουσιάζουν υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας. Αναπτύχθηκε από ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο, η συσκευή χρησιμοποιεί ένα λεπτό στρώμα αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) για να απορροφά το φως και είναι πιο ανθεκτική στην ακτινοβολία πρωτονίων από τις παχύτερες συσκευές που μελετήθηκαν προηγουμένως.
Η κοσμική ακτινοβολία είναι ιονίζουσα ακτινοβολία που αποτελείται από ένα μείγμα βαρέων ιόντων και κοσμικών ακτίνων (πρωτόνια υψηλής ενέργειας, ηλεκτρόνια και ατομικοί πυρήνες). Το μαγνητικό πεδίο της Γης μας προστατεύει από το 99.9% αυτής της ακτινοβολίας και το υπόλοιπο 0.1% εξασθενεί σημαντικά από την ατμόσφαιρά μας. Ωστόσο, τα διαστημικά σκάφη δεν λαμβάνουν τέτοια προστασία και η ακτινοβολία μπορεί να καταστρέψει ή ακόμα και να καταστρέψει τα ηλεκτρονικά τους στοιχεία.
Τα ελαττώματα που προκαλούνται από την ακτινοβολία παγιδεύουν φωτοενεργοποιημένους φορείς φορτίου
Στα ηλιακά κύτταρα, η βλάβη από την ακτινοβολία εισάγει ελαττώματα στα φωτοβολταϊκά υλικά που σχηματίζουν το στρώμα συλλογής φωτός του στοιχείου. Αυτά τα ελαττώματα παγιδεύουν τους φωτοενεργοποιημένους φορείς φορτίου που είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία ροής ηλεκτρικού ρεύματος στο υλικό, μειώνοντας το ρεύμα και τελικά μειώνοντας την ισχύ εξόδου του στοιχείου.
Όσο περισσότερο τα φορτισμένα σωματίδια πρέπει να ταξιδέψουν μέσα από το ηλιακό κύτταρο, τόσο πιο πιθανό είναι να αντιμετωπίσουν κάποιο ελάττωμα και να παγιδευτούν. Ως εκ τούτου, η μείωση αυτής της απόστασης ταξιδιού σημαίνει ότι ένα μικρότερο κλάσμα των σωματιδίων θα παγιδευτεί από ελαττώματα.
Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να γίνουν τα ηλιακά κύτταρα πιο λεπτά. Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Άρμιν Μπάρτελ έκανε ακριβώς αυτό, κατασκευάζοντας τα κύτταρα τους από μια στοίβα ημιαγώγιμων υλικών με στρώμα GaAs που απορροφά το φως πάχους μόλις 80 nm.
Για να ελέγξει εάν αυτή η στρατηγική λειτούργησε, η ομάδα μιμήθηκε τα αποτελέσματα της κοσμικής ακτινοβολίας βομβαρδίζοντας το νέο κύτταρο με πρωτόνια που δημιουργήθηκαν στην πυρηνική εγκατάσταση Dalton Cumbrian στο Ηνωμένο Βασίλειο. Στη συνέχεια μέτρησαν την απόδοση του κυττάρου χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό καθοδωφωταύγειας, η οποία μετρά την έκταση της ζημιάς από την ακτινοβολία, και μια συσκευή γνωστή ως Compact Solar Simulator που καθορίζει πόσο καλά οι βομβαρδισμένες συσκευές μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ισχύ.
Ο Barthel και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι η διάρκεια ζωής των φορέων φόρτισης στη συσκευή τους μειώθηκε από περίπου 198 picoseconds (10-12 s) προ-ακτινοβολία σε περίπου 6.2 picosecond μετά. Ωστόσο, το πραγματικό ρεύμα παρέμεινε σταθερό μέχρι ένα ορισμένο όριο ροής πρωτονίων, πέρα από το οποίο έπεσε απότομα. Οι ερευνητές λένε ότι αυτή η πτώση συσχετίζεται με το σημείο στο οποίο η διάρκεια ζωής του φορέα, που υπολογίζεται από την καθοδοφωταύγεια, γίνεται συγκρίσιμη με το χρόνο που χρειάζονται οι φορείς για να διασχίσουν την εξαιρετικά λεπτή συσκευή.
Παραγωγή ενέργειας σε απαιτητικά διαστημικά περιβάλλοντα
«Η κύρια πιθανή εφαρμογή των συσκευών που μελετήθηκαν σε αυτήν την εργασία είναι για παραγωγή ενέργειας σε απαιτητικά διαστημικά περιβάλλοντα», λέει ο Barthel. Σε μια μελέτη που περιγράφει την έρευνα, η οποία δημοσιεύεται στο Εφημερίδα της Εφαρμοσμένης Φυσικής, οι ερευνητές προτείνουν ότι ένα τέτοιο περιβάλλον μπορεί να είναι οι τροχιές της μέσης Γης (MEO) όπως η τροχιά Molniya που διέρχεται από το κέντρο της ζώνης ακτινοβολίας πρωτονίων της Γης και χρησιμοποιείται για παρακολούθηση και επικοινωνίες σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Καθώς οι καλύτερα προστατευμένες τροχιές στη χαμηλή Γη (LEO) γίνονται όλο και πιο ακατάστατες, τέτοιες τροχιές θα γίνονται πιο σημαντικές.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα βοηθούν τα ηλεκτρονικά που δεσμεύονται στο διάστημα να αντιστέκονται στις ζημιές από την ακτινοβολία
Η τροχιά του φεγγαριού του Δία, Ευρώπη, που παρουσιάζει ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον στην αναζήτηση εξωγήινης ζωής, είναι ένα άλλο παράδειγμα. Αυτό το φεγγάρι έχει ένα από τα πιο σοβαρά περιβάλλοντα ακτινοβολίας στο ηλιακό σύστημα και η προσγείωση ενός διαστημικού σκάφους με ηλιακή ενέργεια εκεί θα απαιτήσει κύτταρα υψηλής ανοχής στην ακτινοβολία.
Αν και οι νέες κυψέλες έχουν σχεδιαστεί κυρίως ως πηγή ενέργειας για δορυφόρους, λέει ο Barthel Κόσμος Φυσικής ότι «δεν αποκλείει την ιδέα» της χρήσης τους για την παραγωγή ενέργειας στο διάστημα για χρήση εδώ στη Γη. Αυτός και οι συνάδελφοί του σχεδιάζουν τώρα να χρησιμοποιήσουν όσα έμαθαν από αυτή τη μελέτη για να βελτιστοποιήσουν περαιτέρω τα κύτταρα τους. «Μέχρι στιγμής, έχουμε εξετάσει μόνο ένα πάχος για τα εξαιρετικά λεπτά κύτταρα μας και τα αποτελέσματά μας θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε εάν υπάρχει διαφορετικό πάχος που δίνει καλύτερο συμβιβασμό μεταξύ της ανοχής ακτινοβολίας και της απορρόφησης φωτός», εξηγεί ο Barthel. «Μας ενδιαφέρει επίσης να εξετάσουμε τη στοίβαξη πολλαπλών εξαιρετικά λεπτών κυψελών για να βελτιώσουμε την απόδοση ισχύος και επίσης να δοκιμάσουμε διαφορετικούς συνδυασμούς υλικών».
