این پرسشی است که یک پژوهش جدید منتشرشده در نشریه Joule تلاش کرده به آن پاسخ دهد. در این مطالعه، یک تیم بینالمللی از پژوهشگران، روشهای نوینی را برای افزایش طول عمر و بهبود عملکرد سلولهای خورشیدی مورد استفاده در فضا بررسی کردهاند؛ سلولهایی که باید در برابر محیط خشن و پرتابش فضا مقاومت کنند و همچنان بازده خود را حفظ نمایند. اهمیت این تحقیق در زمانی دوچندان میشود که شرکتهای خصوصی و سازمانهای دولتی بیشتری در حال گسترش فعالیتهای خود در فضا هستند و نیاز به فناوریهای قدرتمند، بادوام و قابل اتکا بیش از هر زمان دیگری احساس میشود.
چالش بزرگ: تابش فضایی و فرسایش سلولهای خورشیدی
یکی از جدیترین مشکلاتی که سلولهای خورشیدی در فضا با آن روبهرو میشوند، تابشهای مخرب و پرانرژی فضایی است. برخلاف زمین که لایهٔ اوزون، میدان مغناطیسی و جو متراکم از ما در برابر ذرات پرانرژی و پرتوهای خطرناک محافظت میکنند، فضا کاملاً بیرحم است. در این محیط، سلولهای خورشیدی دائماً در معرض:
- پروتونهای پرسرعت
- الکترونهای خورشیدی
- اشعه گاما
- ذرات آلفا
- یونهای سنگین کیهانی
- طوفانهای خورشیدی
- تشعشعات باد خورشیدی
قرار میگیرند که هرکدام بهتنهایی میتوانند به ساختار اتمی سلول خورشیدی آسیب بزنند و عملکرد آن را مختل کنند. بنابراین، یافتن راههایی برای افزایش مقاومت این سلولها در برابر چنین شرایطی، نهتنها ضروری بلکه حیاتی است.
راهحل پیشنهادی: بهبود سلولهای خورشیدی پروسکایتی (PSCs)
پژوهشگران در این مطالعه تمرکز خود را بر یک نوع سلول خورشیدی نسبتاً نوظهور اما بسیار امیدوارکننده گذاشتهاند: سلولهای خورشیدی پروسکایتی (Perovskite Solar Cells – PSCs). این سلولها در سالهای اخیر به یکی از موضوعات مهم پژوهشهای انرژی خورشیدی تبدیل شدهاند، زیرا:
- بازده بالایی دارند
- هزینهٔ ساخت آنها پایین است
- سبک و قابل انعطاف هستند
- بهخوبی قابل تولید انبوهاند
- و مهمتر از همه: در برابر تابش مقاوماند
با این حال، همین سلولهای مقاوم نیز نقاط ضعف خاصی دارند. ساختار پروسکایت ترکیبی از یونها و مولکولهای آلی و معدنی است. در این میان:
- کاتیونهای آلی A-site (که بار مثبت دارند)
→ در برابر تابش بسیار آسیبپذیرند - یونهای هالید معدنی (که بار منفی دارند)
→ در برابر تابش مقاومتر هستند
این موضوع یک چالش بنیادی ایجاد میکند: چگونه میتوان بخشهای آسیبپذیر را محافظت کرد بدون اینکه بازده سلول کم شود؟
نوآوری جدید: روش پهنگاف (Wide-Band-Gap Method)
برای حل این مشکل، پژوهشگران یک راهکار بسیار خلاقانه ارائه کردهاند: استفاده از روش پهنگاف.
این روش باعث میشود سلول خورشیدی بتواند نورهای با انرژی بالاتر را جذب کند و در نتیجه:
- مقاومت سلول در برابر تابش افزایش یابد
- بخشهای حساس کمتر آسیب ببینند
- انرژی بیشتری از نور خورشید جذب شود
- طول عمر سلولها بهطور قابل توجهی افزایش یابد
همچنین، بخشی از تابش پرانرژی به لایههای بالایی جذب میشود و اجازه میدهد باقی تابش به لایههای پایینتر منتقل شود تا سلول ساختار خود را بهتر حفظ کند.
اظهارنظر پژوهشگر: حفاظت از بخشهای شکننده سلول
دکتر جائه سونگ یون (Jae Sung Yun)، استاد انرژی در دانشگاه Surrey و یکی از نویسندگان این مطالعه، در این باره میگوید:
«سلولهای خورشیدی پروسکایتی برای کاربردهای فضایی بسیار امیدوارکنندهاند، اما منابع متنوع تابش در منظومه شمسی همچنان تهدیدی بزرگ برای مولکولهای آلی حساس در این سلولها محسوب میشوند. پوششی که ما توسعه دادهایم، از این بخشهای شکننده محافظت میکند و مانع از تخریب آنها میشود. این کار باعث میشود سلولها برای مدت طولانیتری کارآمد باقی بمانند.»
آزمونهای زمینی و فضایی
با وجود نتایج امیدوارکننده، سلولهای خورشیدی پروسکایتی هنوز به مرحلهٔ استفاده در ماهوارههای بزرگ، ایستگاههای فضایی بزرگ یا مأموریتهای طولانیمدت نرسیدهاند. با این حال، در سالهای اخیر آزمایشهای گستردهای روی آنها انجام شده است:
- در CubeSatها
- در موشکهای زیرمداری
- روی بالونهای ارتفاعبالا
- در آزمایشهای قرارگیری در بیرون ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS)
این آزمایشها نشان دادهاند که PSCها حتی در شرایط سخت نیز قادر به حفظ کارایی خود هستند. علاوه بر این، آزمایشهای زمینی با تابشهای مختلف مانند پروتونها، گاما، ذرات آلفا و یونهای سنگین نیز مقاومت آنها را تأیید کرده است.
مزیتهای کلیدی پروسکایتها برای فضا
علت علاقهمندی دانشمندان و شرکتهای فضایی به PSCها سه ویژگی اساسی آنهاست:
- ارزان بودن
- سبک بودن
- قابلیت تولید در مقیاس بزرگ
این ویژگیها برای فضا فوقالعاده مهماند، زیرا هر کیلوگرم وزن اضافه در یک مأموریت فضایی میلیونها دلار هزینه حملونقل ایجاد میکند. بنابراین، سلولهای سبک و کارآمد مزیت اقتصادی و فنی بزرگی محسوب میشوند.
کاربردهای آینده سلولهای خورشیدی پروسکایتی
سلولهای خورشیدی مقاوم در برابر تابش میتوانند نقش بسیار مهمی در آیندهٔ اکتشافات فضایی ایفا کنند. برخی از کاربردهای احتمالی آنها عبارتاند از:
۱. ایستگاههای فضایی تجاری
شرکتها و سازمانهای بسیاری در حال طراحی نسل جدیدی از ایستگاههای فضایی هستند:
- Axiom Station
- Orbital Reef (از Blue Origin و Sierra Space)
- Starlab (از Nanoracks و Voyager Space)
این ایستگاهها به منابع انرژی قابل اعتماد، پاک و سبک نیاز دارند و PSCها یکی از بهترین گزینهها به حساب میآیند.
۲. مأموریتهای سطحی و مداری در ماه
پروسکایتها در ماه میتوانند برای کارهای مختلفی استفاده شوند:
- ایستگاههای بادشونده (Inflatable Habitats)
- مزارع خورشیدی در قطبهای ماه
- تأمین انرژی رباتها و روورهای سطحی
- سیستمهای انرژی هیبریدی برای شبهای طولانی ماه (۱۴ روز تاریکی کامل)
- کارخانهها و تأسیسات تولیدی در ماه
۳. کاربردهای مریخی
در مریخ نیز PSCها میتوانند نقشی حیاتی داشته باشند:
- تأمین انرژی پایگاههای انسانی
- پشتیبانی از خودروهای مریخی
- انرژی برای هواپیماها یا هلیکوپترهای علمی
- کمک به مأموریتهای بلندمدت رباتیک و انسانی
چشمانداز آینده
پرسش مهم این است: دانشمندان در سالها و دهههای آینده چه پیشرفتهای تازهای در حوزهٔ سلولهای خورشیدی فضایی رقم خواهند زد؟
پاسخ این است: هیچکس نمیداند!
اما همین عدم قطعیت است که علم را جذاب میکند. هر پژوهش جدید دریچهای تازه به دنیای فناوری باز میکند و ما را به فهم بهتر جهان نزدیکتر میسازد.
و این همان دلیلی است که «علم» را پیگیری میکنیم؛
برای دانستن، برای فهمیدن و برای ساختن آینده.
و در پایان…
همیشه:
به انجام علم ادامه دهید، و همیشه به آسمان نگاه کنید!
