Солнечные батареи в космосе: от идеи к воплощению


Единственным источником электрической энергии, размещенным на борту первого искусственного спутника Земли, являлась батарея серебряно-цинковых аккумуляторов. Она применялась для питания несложного радиопередатчика, транслировавшего в эфир прерывистые сигналы. Такое решение позволяло выполнить экспериментальный полет, но для сколько-нибудь продолжительного пребывания на орбите оно категорически не подходило. По этой причине уже весной 1958 года на спутниках начали устанавливать батареи солнечные — легкие и достаточно эффективные источники энергии, без которых освоение как ближнего, так и дальнего космоса стало бы невозможным.

Появление фотоэлементов

В 1839 году Александр Эдмон Беккерель, впоследствии ставший одним из наиболее известных французских физиков, заметил, что при воздействии света на «утопленные» в электролите пластины из платины гальванометр регистрирует появление тока. Разумеется, говорить о создании хотя бы даже прототипа солнечной батареи в данном случае не приходится, но сам по себе эффект прямого преобразования одной формы энергии в другую был замечен и зафиксирован.

В 1873 году британский инженер Уиллоби Смит, пытаясь сконструировать устройство для проверки подводных кабелей, обнаружил, что используемые им селеновые стержни обладают странной особенностью — при попадании на них света электропроводность материала буквально «подскакивает». Дальнейшее изучение этого явления, осуществленное американским изобретателем Чарльзом Фриттсом, позволило спустя десятилетие создать первый фотоэлемент. Электроэнергия генерировалась тонким слоем селена, «зажатого» между медной и золотой поверхностями.

Следует отметить, что физическую природу данного явления удалось объяснить лишь в 1905 году. Это было сделано самым знаменитым ученым всех времен – Альбертом Эйнщтейном. Практическое же применение как фотоэлементов, так и созданных на их основе солнечных батарей долгое время оставалось ограниченным как из-за их относительной дороговизны, так и вследствие низкого коэффициента полезного действия (КПД). Этот важнейший показатель поначалу редко превышал 1%.

Путь на орбиту

К моменту запуска первого спутника идея установки солнечных батарей на космические аппараты уже не являлась новой. К её практической реализации в США приступили в 1954, а в СССР – в 1956 году. В обеих странах основные надежды возлагались на кремниевые фотоэлементы. КПД при этом оставался невысоким — от 4% на первых опытных образцах до 8% для солнечных батарей, выводившихся на орбиту в 1964 году. Этот недостаток компенсировался несколькими ключевыми достоинствами:

  • Долгий срок непрерывной работы.
  • Отсутствие необходимости в каком-либо «топливе».
  • Малый вес.
  • Полная автономность.
  • Безупречная надежность.

Практическое использование достаточно быстро показало, что микрометеориты хотя и воздействуют на работоспособность солнечных батарей, но крайне незначительно. Куда более значительной проблемой являлся постоянный рост энергопотребления всё более крупных и сложных космических аппаратов.

Новинкой середины 60-х годов прошлого века стала батарея солнечная на основе арсенида галлия. Этот материал позволил существенно повысить начальный КПД (от 14-15% до 20%), сократить потери при нагреве и сделать фотоэлементы менее чувствительными к космической радиации. Практическое применение улучшенных источников питания началось в 1967 году, когда их установили на межпланетной автоматической станции «Венера-4».

В последние годы XX века на космических аппаратах появились батареи, созданные на основе так называемых каскадных элементов. От обычных «ячеек» их отличает многослойность, позволяющая последовательно преобразовать практически весь спектр излучений, создаваемых Солнцем. Основной материал при этом всё тот же — арсенид галлия, размещенный на особой германиевой подложке. Эффект использования новых элементов питания очевиден — объем вырабатываемой энергии заметно увеличился.

Возможные перспективы развития

На Земле, как известно, использование солнечных батарей остается сравнительно незначительным. К примеру, в 2016 году они обеспечили всего 1,3% от общего объема генерации электроэнергии во всем мире. Дело в том, что львиную долю солнечных лучей поглощает атмосфера планеты. При выходе в открытый космос эффективность фотоэлементов, разумеется, резко увеличивается. Таким образом, орбитальные солнечные электростанции потенциально могли бы стать куда более мощными, чем любые наземные установки.

Конечно, выработанную энергию потребуется каким-то образом передать по назначению, то есть на Землю. Для этого можно использовать один из двух альтернативных методов. Один из них предполагает применение микроволн – своего рода «энергетического радио». Сразу же необходимо отметить, что пока что это лишь теория. Даже лабораторные эксперименты еще не проводились. По этой причине невозможно сказать, не окажется ли передаваемый с орбиты «луч» губительным для живых организмов или вредным для атмосферы. Привлекательной стороной применения радиоволн является возможность налаживания энергоснабжения в любой точке планеты, сколь угодно удаленной от благ современной цивилизации.

Второй и пока что более перспективный метод основан на преобразовании света Солнца в инфракрасное излучение мощного лазера. КПД подобного устройства может достигать 80%. Предполагается, что передавать энергию этим способом вначале будут от орбитальной станции на отдельные космические аппараты, а в дальнейшем, возможно, и на Землю.

Разумеется, сооружение подобных объектов потребует огромных затрат. Вывод в околоземное пространство большого количества солнечных панелей и сборка их в единый генерирующий блок приведет к необходимости использования десятков, если не сотен тяжелых ракет, не говоря уже о выполнении сложных монтажных работ. Окупятся ли эти расходы в дальнейшем – пока сказать невозможно. Тем не менее ясно, что рано или поздно человечество просто вынуждено будет перейти к масштабному использованию энергии Солнца, поскольку земные ресурсы конечны.


Сопутствующие Товары

Солнечная электростанция 3.5 кВт*ч в сутки ECO GEL

Солнечная электростанция 3.5 кВт*ч в сутки ECO GEL

Выработка в сутки: 3,5 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в месяц: 105 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в сутки: 0,87 кВт*ч&n..

139937р.

Солнечная электростанция 7 кВт*ч в сутки ECO GEL

Солнечная электростанция 7 кВт*ч в сутки ECO GEL

Выработка в сутки: 7 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в месяц: 210 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в сутки: 1,9 кВт*ч..

169634р.

Солнечная электростанция 10,5 кВт*ч в сутки ECO GEL

Солнечная электростанция 10,5 кВт*ч в сутки ECO GEL

Выработка в сутки: 10,5 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в месяц: 315 кВт*ч (Максимальное значение с апреля по октябрь); Выработка в сутки: 2,7 кВт*ч (..

311614р.

Написать отзыв

Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.
    Плохо           Хорошо