„Нощна слънчева енергия“ за захранване на сателити

Пробляскваща по водата, попиваща в кожата и пясъка, слънчевата светлина е част от идентичността на Австралия. А в Сидни, учени, занимаващи се със слънчева енергия, се опитват да използват силата на слънцето, за да произвеждат енергия - но не по начина, по който може би очаквате.

„Работим върху разработването на устройства, които генерират електричество, като излъчват светлина, вместо да я абсорбират“, казва Джейми Харисън, докторант в Университета на Нов Южен Уелс (UNSW) пред CNN. „Това е нещо като обратен слънчев панел“, добавя той.

Хансън е част от екипа изследователи в Училището по фотоволтаично и възобновяемо енергийно инженерство към университета, които търсят нови начини за производство на енергия от слънчева енергия - включително след залез слънце.

Енергията, която е била абсорбирана от Земята от слънцето през деня, се освобождава през нощта като инфрачервено лъчение - вид светлина, невидима за човешкото око, но усещана като топлина. Изследователите от UNSW работят върху полупроводник, наречен терморадиативен диод, който може да преобразува това инфрачервено лъчение в електричество.

„Ако погледнете Земята през нощта, това, което ще видите с инфрачервена камера, е как Земята свети“, казва професор Нед Екинс-Доукс, който ръководи екипа в UNSW. „Това, което се случва, е, че Земята излъчва топлина в студената вселена“, допълва той.

Учените от UNSW не са първите, които разработват терморадиативен диод. Но, надграждайки работата на университетите Харвард и Станфорд в САЩ, екипът е първият, който директно демонстрира електрическа енергия от едно от тези устройства през 2022 г.

Досега устройството може да генерира само много малко количество електричество - около 100 000 пъти по-малко от това на конвенционален слънчев панел.

„Достатъчно е да захранвате дигитален ръчен часовник Casio от телесната си топлина“, казва Екинс-Доукс, обяснявайки, че това, което определя количеството енергия, което диодът може да генерира, е температурната разлика между източника на топлина и околната среда.

Дори работейки с оптимална ефективност, Екинс-Доукс казва, че на Земята диодът би могъл да генерира електричество с плътност на мощността само от един ват на квадратен метър.

Това е така, защото водните пари и газове като въглеродния диоксид в атмосферата също абсорбират топлината от слънцето, намалявайки температурната разлика между земната повърхност и нощното небе. Но, както вижда Екинс-Доукс, истинският потенциал на тази технология е в космоса, където липсата на атмосфера осигурява много по-хладна околна среда за работа на диода. Той се надява, че технологията ще бъде използвана за осигуряване на електричество на спътници. Те обикновено се захранват чрез слънчеви панели, но Екинс-Даукес подчертава, че това има ограничения, най-вече в периоди, когато спътникът не е на пряка слънчева светлина.

„Особено в по-ниска орбита... имате 45 минути слънчева светлина и след това 45 минути тъмнина“, казва той. „Очевидно е, че вашият слънчев панел работи само когато слънцето грее. Така че възможността тук е... да се използват други повърхности, не за да захранват изцяло, а за да осигурят известна спомагателна енергия“, обяснява той.

Диодът би генерирал електричество от топлината, абсорбирана от спътника, докато е бил в полезрението на слънцето, тъй като тя се излъчва в „невероятно студеното“ пространство по време на периоди на тъмнина, казва Екинс-Доукс.

В момента, по време на тъмнина, спътниците се захранват от батерия, която се зарежда по време на периоди на слънчева светлина, но Екинс-Даукс казва, че диодите предоставят „възможност... да се извлече малко повече енергия от повърхността на спътника“.

„В космическите технологии има тенденция да се правят по-малки спътници, които летят в по-ниски орбити, но запазват същата функция като по-големите“, казва той. „Поради тази причина терморадиационният диод може да бъде полезен - той е лек и генерира енергия от неизползвани повърхности.“

Екипът планира тестов полет с балон тази година, който ще им позволи да изпробват технологията в космоса за първи път.

Диоди за дълбокия космос?

Д-р Джефри Ландис, учен, работещ върху терморадиационни технологии в Изследователския център на НАСА „Джон Глен“, смята, че технологията може да работи за спътници в ниска орбита, но би била полезна само ако може да се направи на „много, много ниска цена“.

„Батериите са евтини“, казва той. „Можете да помислите за използването на терморадиационен диод, но това вероятно ще бъде по-скъпо, отколкото само да използвате батерии за 45 минути“, добавя той. Вместо това, изследванията на Ландис се фокусират върху използването на терморадиационни диоди за спътници в мисии в дълбокия космос до външните планети на Слънчевата система или за марсоходи в постоянно засенчени райони на Луната. Такива мисии в момента се захранват от специални термоелектрически генератори, които преобразуват топлината, произведена от разпадането на радиоактивен изотоп, като плутоний, в електричество. „Тези неща са тежки. Те тежат около 45 килограма, обемът им е около 200 литра... Много са скъпи и се запазват за големи, флагмански мисии, защото трябва да произвеждаме плутоний, който е трудно да се произвежда, скъп е и е рядък ресурс“, казва д-р Стивън Поли, който работи с Ландис в НАСА.

Той казва, че макар плутония все още да е необходим за осигуряване на източник на топлина за терморадиационни диоди в дълбокия космос, в сравнение с конвенционалните термоелектрически генератори, диодите са много по-прости и имат по-малко движещи се части.

Много по-малки диоди биха били свързани помежду си, за да се създаде панел, подобен на слънчевите панели, използвани в момента за захранване на спътници, казва Поли.

„Самият панел е това, което отделя отпадъчна топлина като светлина, така че те могат да бъдат много по-малки, много по-ефективни и да използват по-добре този плутониев ресурс“, казва той.

Терморадиационните диоди в момента се изработват от същите полупроводникови материали, използвани в очилата за нощно виждане, но Ландис казва, че е необходима още работа, за да се оцени тяхната жизнеспособност при излагане на високите температури, които биха произвели разпадащите се радиоактивни изотопи.

Съвременните термоелектрични системи в космоса, които използват тези изотопи като източници на топлина, работят при температури от около 540° или 1000° по Целзий

„Никой никога не се е сещал да работи с тези видове полупроводници при по-високи температури, така че не знаем много за дълготрайността им. А за космическа мисия бихме искали тези полупроводници да издържат 10 години, 20 години, може би дори повече“, добавя той.

Ландис и Поли изследват нови материали за производството и тестването на терморадиационна клетка. Поли казва, че „ако резултатите от изследванията продължат да изглеждат обещаващи“, тогава използването на терморадиационна система, нагрявана от радиоактивни изотопи, „със сигурност е възможно да се случи през следващите пет до десет години“.

В UNSW екипът на Екинс-Доукс е получил финансиране от Военновъздушните сили на САЩ за усъвършенстване на диода, така че той да може да работи по-ефективно и да генерира по-големи количества енергия, когато се използва на ниско разположени около Земята спътници, като единственият източник на топлина е слънчевата радиация. Неговият екип също така обмисля използването на различни материали, подобни на тези, използвани за производството на конвенционални слънчеви клетки, което според Екинс-Доукс би им позволило да „включат“ производствените процеси на слънчеви клетки, което би позволило по-бързо увеличаване на мащаба на производството, когато диодът стане търговски достъпен – което той се надява да стане в рамките на следващите пет години.