תא פוטו-וולטאי חדש דק במיוחד יכול לשמש כמקור כוח ללוויינים באזורי חלל שחווים רמות גבוהות של קרינה. פותח על ידי חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה, המכשיר משתמש בשכבה דקה של גליום ארסניד (GaAs) כדי לספוג אור והוא חזק יותר לקרינת פרוטונים מאשר מכשירים עבים יותר שנחקרו בעבר.
קרינה קוסמית היא קרינה מייננת המורכבת מתערובת של יונים כבדים וקרניים קוסמיות (פרוטונים עתירי אנרגיה, אלקטרונים וגרעיני אטום). השדה המגנטי של כדור הארץ מגן עלינו מפני 99.9% מהקרינה הזו, וה-0.1% הנותרים מוחלשים באופן משמעותי על ידי האטמוספירה שלנו. עם זאת, חלליות לא זוכות להגנה כזו, וקרינה עלולה לפגוע או אפילו להרוס את האלקטרוניקה המשולבת שלהן.
פגמים המושרים על ידי קרינה לוכדים נושאי מטען פוטו-פעילים
בתאים סולאריים, נזקי קרינה מכניסים פגמים לחומרים הפוטו-וולטאיים היוצרים את שכבת האור של התא. פגמים אלו לוכדים את נושאי המטען הפוטו-פעילים האחראים על יצירת זרימת זרם חשמלי על פני החומר, הפחתת הזרם ובסופו של דבר הורדת תפוקת הכוח של התא.
ככל שהחלקיקים הטעונים חייבים לעבור דרך התא הסולארי, כך גדל הסיכוי שהם יתקלו בפגם וילכדו. לפיכך, צמצום מרחק הנסיעה הזה אומר שחלק קטן יותר מהחלקיקים יילכד על ידי פגמים.
אחת הדרכים לעשות זאת היא להפוך את התאים הסולאריים לדקים יותר. בעבודה החדשה, חוקרים בראשות ארמין ברתל עשו בדיוק את זה, ויצרו את התאים שלהם מערימה של חומרים מוליכים למחצה עם שכבה סופגת אור GaAs בעובי של 80 ננומטר בלבד.
כדי לבדוק אם האסטרטגיה הזו עבדה, הצוות חיקה את ההשפעות של קרינה קוסמית על ידי הפצצת התא החדש עם פרוטונים שנוצרו במתקן הגרעיני דלטון קמבריאן בבריטניה. לאחר מכן הם מדדו את ביצועי התא באמצעות שילוב של קתודו-לומינסנציה שנפתרה בזמן, המודד את מידת הנזק לקרינה, ומכשיר המכונה Compact Solar Simulator שקובע עד כמה המכשירים המופגזים ממירים את אור השמש לחשמל.
בארת'ל ועמיתיו מצאו כי משך החיים של נושאי המטען במכשיר שלהם ירד מסביבות 198 פיקושניות (10-12 s) קרינה מוקדמת לסביבות 6.2 פיקושניות לאחר מכן. עם זאת, הזרם בפועל נשאר קבוע עד לסף מסוים של שטף פרוטונים, שמעבר לו הוא ירד בחדות. החוקרים טוענים כי ירידה זו תואמת את הנקודה שבה משך חיי הנשא, המחושב מתוך קתודו-לומיננסנציה, הופך להיות דומה לזמן שלוקח לנשאים לחצות את המכשיר הדק במיוחד.
ייצור חשמל בסביבות חלל תובעניות
"היישום הפוטנציאלי העיקרי של המכשירים הנלמדים בעבודה זו הוא לייצור חשמל בסביבות חלל תובעניות", אומר בארת'ל. במחקר המתאר את המחקר, שמתפרסם ב כתב העת לפיסיקה יישומית, החוקרים מציעים שסביבה אחת כזו עשויה להיות מסלולי כדור הארץ האמצעיים (MEOs) כמו מסלול מולניה העובר דרך מרכז חגורת קרינת הפרוטונים של כדור הארץ ומשמש לניטור ותקשורת בקווי רוחב גבוהים. ככל שמסלולי כדור הארץ הנמוכים (LEOs) מוגנים יותר, הופכים להיות עמוסים יותר, מסלולים כאלה יהפכו חשובים יותר.
ננו-צינוריות פחמן עוזרות לאלקטרוניקה המחוברת לחלל להתנגד לנזקי קרינה
מסלולו של ירח צדק אירופה, שהוא בעל עניין מדעי במיוחד בחיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ, הוא דוגמה נוספת. לירח הזה יש את אחת מסביבות הקרינה הקשות ביותר במערכת השמש והנחתת חללית המונעת מהשמש שם תדרוש תאים בעלי סבילות גבוהה לקרינה.
למרות שהתאים החדשים מתוכננים בעיקר כמקור כוח ללוויינים, מספר ברת'ל עולם הפיזיקה שהוא "לא שולל את הרעיון" להשתמש בהם להפקת חשמל בחלל לשימוש כאן למטה על כדור הארץ. כעת הוא ועמיתיו מתכננים להשתמש במה שהם למדו ממחקר זה כדי לייעל עוד יותר את התאים שלהם. "עד כה, בדקנו רק עובי אחד עבור התאים האולטרה-דקים שלנו והתוצאות שלנו יעזרו לנו להבין אם יש עובי שונה שנותן פשרה טובה יותר בין סבילות לקרינה וספיגת אור", מסביר ברת'ל. "אנחנו גם מעוניינים להסתכל על ערימת תאים אולטרה-דקים מרובים כדי לשפר את תפוקת הכוח וגם לנסות שילובי חומרים שונים."
