«Огонь-батареи»: как изменились космические солнечные батареи за 67 лет

Первая успешная попытка получить электроэнергию из солнечного света была предпринята еще в конце XIX века: американский изобретатель Чарльз Фриттс напрямую преобразовал солнечный свет в электрический ток, используя селен, покрытый тонким слоем золота. Но настоящая история солнечных батарей началась во времена космической гонки.

Успешная реализация идеи Сергея Королёва о запуске искусственных спутников Земли на космических ракетах остро поставила вопрос о продлении орбитальной жизни космических аппаратов. Первые спутники работали, пока действовали аккумуляторы, – считанные дни. Спутники, снабженные ядерными энергетическими установками, не получили широкого распространения на околоземных орбитах после нескольких аварий с падением высокоактивных обломков на поверхность Земли, поэтому ядерная космическая энергетика сейчас остается интересной лишь для миссий дальнего космоса. Так, Солнце стало единственным и безальтернативным первичным источником энергии для спутников, работающих вблизи нашей планеты.

В 1954 году три сотрудника американской Bell Laboratories создали первые в мире солнечные батареи на основе кремния, который с тех пор надолго занял свои «космические» позиции и сдал их лишь с наступлением XXI века. Советские инженеры разработали солнечные батареи для спутников практически одновременно с американскими коллегами. Коллектив Московского института источников тока (сейчас НПП Квант) под руководством Николая Лидоренко создал свои первые батареи (кстати, более мощные, чем американские) для обеспечения работы Спутника-3, вышедшего на орбиту спустя всего два месяца после Vanguard 1, но имевшего значительные размеры и оснащенного большим количеством научной аппаратуры, чем его американский собрат. И с тех пор лидерство в космической фотоэнергетике надолго оставалось за Советским Союзом.

Сегодня неписаный стандарт космического солнечного элемента — многокаскадные солнечные элементы со структурой арсенида галлия. Их применение стало возможным благодаря открытиям Жореса Алферова и его коллег из Физико-технического института имени А.Ф. Йоффе, сделанных в области гетероструктур, за которые он был удостоен Нобелевской премии в 2000 году. В СССР серийное производство таких батарей для космоса было создано все в том же НПП Квант. Эти батареи стали технологическим прорывом, они успешно использовались на первых в мире планетоходах «Луноход-1» и «Луноход-2», а также в составе высокомощных солнечных батарей орбитальной станции «Мир».

XX век оставлял эти мощные источники тока в тени относительно дешевого и простого в изготовлении кремниевого солнечного элемента. Однако вызовы XXI века, которые возникли благодаря широкому применению мощной космической аппаратуры связи и радиолокации, заставили человечество вернуться к изобретению советских ученых. Теперь, когда компактные спутники совершают в космосе интенсивные маневры и требуют киловатты мощности, многопереходные элементы практически не имеют себе альтернативы.

Если коротко — главная причина в том, что наземная батарея не требует серьезных ограничений в размерах и массе, не должна складываться так, чтобы спрятаться от набегающего потока воздуха под головным обтекателем во время взлета ракеты, не страдает от чудовищных перегрузок и вибраций во время выведения на орбиту, надежно прикрыта зонтиком земной атмосферы от космической радиации. Кроме того, слишком большая батарея мешает маневрам космического аппарата и превращает его в «туриста-любителя с гигантским рюкзаком», который едва ли сможет освоить весь намеченный маршрут. Чем больше солнечная батарея, тем больше энергии она отдает спутнику, но тем сложнее с ней управляться в космическом путешествии.

Инженеры БЮРО 1440 сумели найти баланс между эффективностью батарей и их размерами и весом. Батареи оказались одними из самых легких в своем классе: при мощности около 3 кВт масса солнечной батареи в сборе вместе со всеми вспомогательными устройствами составляет менее 50 кг. Кроме того, они разработали специальные композитные радиационно-защитные покрытия, продлевающие срок жизни солнечных элементов на орбите и позволяющие серьезно снизить габариты и массу солнечных батарей, избавляя от необходимости везти на орбиту «запасные» фотопреобразователи.

Еще одна инновация – производство полного цикла. В России давно сложилась традиция раздельного производства солнечных батарей, когда фотогенерирующую часть и механические системы, несущие на себе преобразователи солнечного излучения (каркасы, системы раскрытия и ориентации, блоки управления), производят разные организации. Обычно разработчик космического аппарата изготавливает каркас солнечной батареи, а затем поручает осуществить на него монтаж фотогенерирующей части специализированным предприятиям.

Однако стартапу удалось создать производство, на котором реализован полный цикл изготовления солнечной батареи космического назначения. Здесь изготавливают как механическую, так и электрическую части. Роботизированный комплекс автоматически формирует сбалансированные по току фотоэлектрические генераторы, отбраковывает некачественные элементы, проверяя за смену несколько сотен фотопреобразователей без вмешательства человека. Данные о каждом элементе поступают в общую информационную систему контроля производства, чтобы можно было отслеживать качество сборки солнечных батарей на всех этапах.

Насколько современные солнечные батареи эффективны? Обычный космический фотопреобразователь с тремя каскадами преобразования солнечной энергии, позволяет превратить в электрический ток 30% энергии электромагнитного излучения Солнца (это в среднем 1367 Вт/м2 на орбите Земли). Кремниевые элементы, которые применяются в наземных солнечных электростанциях, в тех же условиях «осилили» бы не более 18%. Каждый из переходов гетероструктурного преобразователя захватывает кванты света в своем участке солнечного спектра, а вместе они забирают энергию Солнца почти во всем видимом диапазоне. Чем больше каскадов – тем выше эффективность (до известного предела). Так, лучшие экспериментальные 5-каскадные элементы сегодня позволяют преобразовывать солнечный свет в электрический ток с КПД выше 35%.

Одна из самых многообещающих альтернатив современным многопереходным структурам – солнечные элементы со структурой перовскита. Этот материал практически не боится космической радиации, дешев и прост в изготовлении, а элементы на его основе можно создать в виде тонких пленок на гибких подложках. При этом по эффективности «перовскитные» фотопреобразователи заметно превосходят кремниевые и приближаются к многокаскадными солнечным элементам, применяемыми сегодня в космической индустрии.

Такая совокупность свойств открывает перед конструкторами космических солнечных батарей поистине фантастические возможности – солнечные модули из перовскитов можно будет буквально скатывать в рулон или складывать, как бумажные фигурки оригами, в миниатюрные энергетические пакеты на корпусе космического аппарата и при этом создавать мощную электрогенерацию на борту. Они не лишены пока «детских болезней» — плохая термическая устойчивость или гистерезис вольтамперной характеристики (значительная зависимость силы тока от направления и скорости изменения величины нагрузки в электрической цепи). Однако интенсивность исследований, проводимых сейчас во всем мире, позволяет надеяться, что скоро эти разработки из области науки переместятся в сферу инженерных интересов.

В России в этом направлении работают коллективы Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Университет науки и технологий МИСИС. Качественная замена дорогим и сложным в изготовлении кристаллическим солнечным элементам может появиться уже в течении 5-7 лет. И если по итогам 2023 года рынок космических солнечных элементов оценивался в $1,2 млрд., то к 2031 году ожидается его рост более чем вдвое — до $2,5 млрд. Темп роста почти 10% в год. И это только рынок фотопреобразователей, объем рынка космических систем электропитания в сборе заметно больше.