Uut üliõhukest fotogalvaanilist elementi saaks kasutada kõrge kiirgustasemega kosmosepiirkondade satelliitide toiteallikana. Ühendkuningriigi Cambridge'i ülikooli teadlaste poolt välja töötatud seade kasutab valguse neelamiseks õhukest galliumarseniidi (GaAs) kihti ja on prootonkiirgusele vastupidavam kui varem uuritud paksemad seadmed.
Kosmiline kiirgus on ioniseeriv kiirgus, mis koosneb raskete ioonide ja kosmiliste kiirte (kõrge energiaga prootonid, elektronid ja aatomituumad) segust. Maa magnetväli kaitseb meid 99.9% selle kiirguse eest ja ülejäänud 0.1% nõrgestab oluliselt meie atmosfäär. Kosmoselaevad aga sellist kaitset ei saa ja kiirgus võib kahjustada või isegi hävitada nende pardaelektroonikat.
Kiirgusest põhjustatud defektid püüavad fotoaktiveeritud laengukandjad kinni
Päikesepatareides tekitavad kiirguskahjustused fotogalvaanilistes materjalides defekte, mis moodustavad elemendi valgust koguva kihi. Need defektid püüavad kinni fotoaktiveeritud laengukandjad, mis vastutavad elektrivoolu tekitamise eest läbi materjali, vähendades voolu ja lõpuks vähendades elemendi väljundvõimsust.
Mida kaugemale peavad laetud osakesed läbi päikesepatarei liikuma, seda tõenäolisem on, et nad leiavad defekti ja jäävad lõksu. Seega tähendab selle liikumiskauguse vähendamine seda, et väiksem osa osakestest jääb defektide tõttu lõksu.
Üks võimalus selleks on muuta päikesepatareid õhemaks. Uues töös juhivad teadlased Armin Barthel tegid täpselt seda, valmistades oma rakud pooljuhtmaterjalide virnast, mille GaAs valgust neelav kiht oli vaid 80 nm paksune.
Et testida, kas see strateegia toimis, jäljendas töörühm kosmilise kiirguse mõju, pommitades uut rakku Ühendkuningriigis Dalton Cumbriani tuumarajatistes toodetud prootonitega. Seejärel mõõtsid nad raku jõudlust, kasutades kombinatsiooni ajalahutusega katodoluminestsentsist, mis mõõdab kiirguskahjustuse ulatust, ja kompaktse päikesesimulaatorina tuntud seadet, mis määrab, kui hästi pommitatud seadmed päikesevalgust energiaks muudavad.
Barthel ja tema kolleegid leidsid, et nende seadme laengukandjate eluiga vähenes umbes 198 pikosekundilt (10-12 s) eelkiirgus umbes 6.2 pikosekundini pärast seda. Tegelik vool püsis aga konstantsena kuni teatud prootonivoolu künnise, millest üle see langes järsult. Teadlaste sõnul on see langus korrelatsioonis punktiga, mil kandja eluiga, mis on arvutatud katodoluminestsentsi põhjal, muutub võrreldavaks ajaga, mis kulub kandjatel üliõhukese seadme ületamiseks.
Elektrienergia tootmine nõudlikes ruumikeskkondades
"Selles töös uuritud seadmete peamine potentsiaalne rakendus on energiatootmine nõudlikes ruumikeskkondades, " ütleb Barthel. Uuringut kirjeldavas uuringus, mis on avaldatud aastal Journal of Applied Physics, väidavad teadlased, et üheks selliseks keskkonnaks võivad olla Kesk-Maa orbiidid (MEO-d), näiteks Molniya orbiit, mis läbib Maa prootonikiirguse vöö keskpunkti ja mida kasutatakse seireks ja sidepidamiseks kõrgetel laiuskraadidel. Kuna paremini kaitstud madala maa orbiidid (LEO-d) muutuvad üha segasemaks, muutuvad sellised orbiidid olulisemaks.
Süsinik-nanotorud aitavad kosmosesse jääval elektroonial vastu seista kiirguskahjustustele
Teine näide on Jupiteri kuu Europa orbiit, mis pakub erilist teaduslikku huvi maavälise elu otsimisel. Sellel kuul on päikesesüsteemi üks raskemaid kiirguskeskkondi ja päikeseenergial töötava kosmoselaeva maandumiseks on vaja väga kiirgust taluvaid rakke.
Kuigi uued rakud on mõeldud peamiselt satelliitide toiteallikaks, räägib Barthel Füüsika maailm et ta "ei välista ideed" kasutada neid kosmoses energia tootmiseks, et seda kasutada siin maa peal. Tema ja ta kolleegid kavatsevad nüüd kasutada sellest uuringust õpitut oma rakkude edasiseks optimeerimiseks. "Siiani oleme oma üliõhukeste rakkude jaoks vaadanud ainult ühte paksust ja meie tulemused aitavad meil välja selgitada, kas on olemas erinev paksus, mis annab parema kompromissi kiirgustaluvuse ja valguse neeldumise vahel," selgitab Barthel. "Oleme huvitatud ka mitme üliõhukese elemendi virnastamisest, et parandada võimsust, ja proovida ka erinevaid materjalikombinatsioone."
