مقاومت در برابر تشعشع‌های فضایی با سلول‌های خورشیدی به اندازه یک هزارم موی انسان

به گزارش گروه دانش و فناوری اقتصاد ۱۰۰ و به نقل از ایسنا، مدار نزدیک زمین در حال پر شدن است، به این معنی که برای رفتن ماهواره‌ها به مدارهای بالاتر، طراحی سلول‌های مقاوم در برابر تشعشع‌های فضایی مورد نیاز است.

اکنون دانشمندان طرح یک سلول فتوولتائیک مقاوم در برابر تشعشع را توسعه داده‌اند که دارای یک لایه فوق نازک از مواد جاذب نور است.

بر اساس مطالعه جدیدی که روز گذشته در مجله Applied Physics منتشر شده است، این دستگاه‌ها دارای سلول‌هایی با ضخامت یک هزارم موی انسان هستند.

سلول‌های خورشیدی فوق نازک به طور قابل توجهی نه تنها از سلول‌های خورشیدی ضخیم‌تر در تاب‌آوری در برابر تابش و تشعشع پیشی می‌گیرند، بلکه آنها همچنین پس از ۲۰ سال استفاده، همان مقدار انرژی را از نور خورشید تبدیل می‌کنند که در اوایل عمر خود قادر به انجام آن هستند.

علاوه بر این، سلول‌های فتوولتائیک جدید می‌توانند بار را کاهش دهند و هزینه‌های راه‌اندازی و نگهداری را به طور قابل توجهی کاهش دهند.

همین طور که ماهواره‌های بیشتری به مدار میانی زمین می‌روند، در معرض تشعشع‌های فضایی شدیدتری قرار خواهند گرفت.

با ازدحام ماهواره‌ها در مدار نزدیک زمین، استفاده از ماهواره‌ها در مدارهای میانی زمین مانند مدار مولنیا(Molniya)، ضروری‌تر و حیاتی‌تر می‌شود. با این حال، نوار تابش پروتون در اطراف زمین در این مدار وجود دارد، به این معنی که طرح‌های سلولی مقاوم در برابر تشعشع برای این مدارهای بالاتر مورد نیاز است.

مطالعه سیاره‌ها و قمرهای دوردست نیز به سلول‌های مقاوم در برابر تشعشع نیاز دارد. به عنوان مثال، قمر اروپا که یکی از قمرهای سیاره مشتری است، یکی از خشن‌ترین محیط‌های تشعشعی منظومه شمسی را در اختیار دارد. بنابراین، تجهیزات مقاوم در برابر تشعشعات برای فرود یک فضاپیما که از انرژی خورشیدی بهره می‌برد، در این قمر ضروری خواهد بود.

ضخامت سطح هر سلول تقریباً یک هزارم موی انسان است

پژوهشگران از گالیم آرسنید(gallium arsenide) نیمه‌ هادی برای ساخت دو نوع دستگاه فتوولتائیک استفاده کردند. یکی از آنها طرح روی تراشه بود که با چیدن مواد مختلف (یکی روی دیگری) ایجاد شد. این سلول‌ها شامل یک لایه فوق نازک از گاز جذب کننده نور بود که برای تحمل تابش و تشعشع آنها کلیدی است.

به گفته پژوهشگران، سطح هر سلول تنها ۱۲۰ نانومتر یا تقریباً یک هزارم ضخامت موی انسان است. این طرح همچنین شامل این بود که این سلول‌ها توسط فلزات رسانای الکتریکی محصور شده بودند.

روش جایگزین نیز از آینه‌ی پشت نقره‌ای برای بهبود جذب نور استفاده می‌کرد.

آزمایش سلول‌های جدید با پروتون‌های تاسیسات هسته‌ای دالتون کامبرین

این دستگاه‌ها با پروتون‌های تولید شده در تاسیسات هسته‌ای دالتون کامبرین(Dalton Cumbrian) در بریتانیا برای شبیه‌سازی اثرات تشعشع در فضا مورد آزمایش قرار گرفتند.

کاتدولومینسانس(Cathodoluminescence) روشی است که می‌تواند میزان آسیب تشعشع را تخمین بزند و در این آزمایش برای مقایسه عملکرد دستگاه‌های فتوولتائیک قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض تشعشع مورد استفاده قرار گرفت.

علاوه بر این، کارایی این دستگاه‌ها برای تبدیل نور خورشید به انرژی پس از برخورد توسط پروتون‌ها توسط مجموعه دومی از آزمایش‌ها با استفاده از یک شبیه‌ساز خورشیدی فشرده آزمایش شد.

عملکرد مطلوب

آرمین بارتل(Armin Barthel) نویسنده مسئول این پژوهش گفت: سلول خورشیدی فوق نازک ما نسبت به دستگاه‌های قبلا مطالعه شده و ضخیم‌تر در تشعشع پروتون بالاتر از یک آستانه خاص عمل می‌کند. هندسه‌های فوق نازک عملکرد مطلوبی را نسبت به مشاهدات قبلی با دو مرتبه بزرگی ارائه می‌دهند.

دانشمندان استدلال می‌کنند که این سلول‌های بسیار نازک از سلول‌های معمولی بهتر عمل می‌کنند، زیرا حامل‌های بار می‌توانند به اندازه کافی زنده بمانند تا در پایانه‌های دستگاه جریان داشته باشند.

نازک‌تر بودن چگونه عمر فتوولتائیک را افزایش می‌دهد؟

اکثر ماهواره‌های موجود در مدار زمین از سلول‌های فتوولتائیک استفاده می‌کنند. هنگامی که نور به سلول‌های خورشیدی برخورد می‌کند، انرژی آن به الکترون‌های دارای بار منفی مواد منتقل می‌شود. این حامل‌های بار از جای خود خارج می‌شوند و جریان برق را روی فتوولتائیک ایجاد می‌کنند.

با این حال، تابش فضایی به سلول‌های خورشیدی آسیب می‌رساند و با جابجایی اتم‌ها در ماده و کاهش طول عمر حامل‌های بار، کارایی و بهره‌وری را کاهش می‌دهد. از آنجا که فتوولتائیک‌های نازک‌تر به این معنی هستند که این حامل‌های بار در طول عمر خود مسافت کمتری برای طی کردن دارند، بنابراین موجب طول عمر طولانی‌تر آنها می‌شوند.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که این دستگاه‌های جدید یک نکته حائز اهمیت را نشان می‌دهند. پژوهشگران دریافتند که این سلول‌های جدید که تقریباً ۳.۵ برابر شیشه‌های پوششی کمتری داشتند، پس از ۲۰ سال کارکرد به اندازه سلول‌هایی با دیواره‌های ضخیم‌تر قدرت ارائه می‌دهند.

با این حال، مانند تمام پیشرفت‌های جدید فناوری، اینکه آیا این سلول‌های جدید قابل تولید در مقیاس بزرگ خواهند بود یا خیر، باید سنجیده شود.