Fotowoltaika w kosmosie. Czy panele z dachów domów przydadzą się na orbicie?

• Obecnie satelity często korzystają z drogich ogniw opartych na arsenku galu. Krzemowe ogniwa z fotowoltaiki naziemnej mogą być tańszą i łatwiej skalowalną alternatywą.
• Badania skupiają się na ogniwach z tylnym stykiem oraz ich odporności na promieniowanie, próżnię i ekstremalne temperatury.
• Dla Europy to także kwestia strategiczna. Udane testy mogłyby zmniejszyć zależność od kosztownych i ograniczonych łańcuchów dostaw technologii kosmicznych.

Ziemska fotowoltaika dla satelitów

Holenderski instytut badawczy TNO, producent paneli fotowoltaicznych MCPV oraz Airbus Netherlands rozpoczęli współpracę nad wykorzystaniem krzemowych ogniw słonecznych w zastosowaniach kosmicznych. Brzmi to jak naturalny kierunek, bo krzem od dekad dominuje w fotowoltaice naziemnej. W kosmosie sytuacja wygląda jednak inaczej.

Wiele obecnych paneli satelitarnych korzysta z ogniw opartych na arsenku galu, czyli GaAs. To technologia wydajna i dobrze sprawdzona w trudnych warunkach, ale jednocześnie droga i zależna od wąskiego łańcucha dostaw. TNO wskazuje, że partnerzy chcą sprawdzić, czy wysokiej jakości ogniwa krzemowe, masowo produkowane na Ziemi, mogą być tańszą i łatwiej skalowalną alternatywą dla przyszłych misji satelitarnych.

Co właściwie badają?

Współpraca ma połączyć trzy kompetencje. TNO wnosi rozwój technologii ogniw, MCPV odpowiada za perspektywę uprzemysłowienia produkcji, a Airbus Netherlands za doświadczenie w integracji systemów kosmicznych. Na początku partnerzy nie budują jeszcze gotowego „kosmicznego panelu z dachu”. Najpierw sprawdzają, które koncepcje z fotowoltaiki naziemnej mogą mieć sens poza atmosferą.

“Kluczowym tematem jest opatentowana przez TNO wiedza specjalistyczna w zakresie krzemowych ogniw słonecznych z tylnym stykiem, które umożliwiają wysoce precyzyjną produkcję metodą pick-and-place” – dodano w oświadczeniu.

Ogniwa z tylnym stykiem mają wszystkie kontakty elektryczne z tyłu, co ułatwia projektowanie powierzchni aktywnej i automatyzację montażu. W zastosowaniach kosmicznych liczy się nie tylko sprawność, ale też powtarzalność, masa, niezawodność i możliwość produkcji większych serii. To szczególnie ważne przy konstelacjach satelitów, gdzie potrzeba wielu podobnych paneli, a nie pojedynczych, bardzo drogich rozwiązań.

• Zobacz również: Domowa fotowoltaika kontra sieć. Dlaczego prosumenci zaczynają być problemem dla operatorów?

Kosmos nie wybacza słabych ogniw

Największe pytanie dotyczy trwałości. Ogniwo, które dobrze pracuje na dachu domu, nie musi przetrwać warunków orbitalnych. W kosmosie dochodzą promieniowanie cząsteczkowe, duże wahania temperatury, próżnia i obciążenia mechaniczne przy starcie rakiety. TNO podkreśla, że pierwsze testy mają dotyczyć właśnie „wewnętrznej odporności” technologii, zanim ktokolwiek zacznie dostosowywać procesy produkcyjne specjalnie pod kosmos.

”Jednym z pierwszych pytań technicznych, które są przedmiotem analizy, jest to, jak krzemowe ogniwa z tylnym stykiem zachowują się w warunkach panujących w kosmosie, takich jak promieniowanie cząsteczkowe, ekstremalne cykle termiczne i obciążenia mechaniczne” – czytamy w oświadczeniu TNO.

To kluczowe, bo tradycyjne ogniwa kosmiczne z grupy III-V, do której należą m.in. technologie GaAs, pozostają standardem właśnie dzięki wysokiej odporności i sprawności. NREL wskazuje, że takie ogniwa od lat wyznaczają poziom dla fotowoltaiki kosmicznej, zwłaszcza w środowisku wysokiego promieniowania i ekstremalnych temperatur.

Dlaczego Europa się tym interesuje?

W tle jest coś więcej niż sama cena panelu. Europa chce wzmacniać autonomię technologiczną w kosmosie, a łańcuchy dostaw komponentów satelitarnych stają się coraz ważniejsze strategicznie. Airbus podkreśla, że ma doświadczenie w gotowych systemach paneli słonecznych dla satelitów i konstelacji, w tym rozwiązaniach dla niskiej orbity okołoziemskiej.

Krzem nie musi natychmiast zastąpić najbardziej zaawansowanych ogniw kosmicznych. Może jednak znaleźć miejsce tam, gdzie liczą się koszty, dostępność i produkcja seryjna. Jeżeli technologia przejdzie testy odporności, kosmos może skorzystać z tego, co fotowoltaika naziemna wypracowała przez lata: skali produkcji, automatyzacji i coraz niższych kosztów.

Źródło: TNO, NREL, Airbus, Fraunhofer, Nature, pv-magazine