Исследователи работают над устойчивыми технологиями сбора солнечной энергии в космосе, которые могут дополнить системы жизнеобеспечения на Луне и Марсе.
В настоящее время около 1,5 кВт из 4,6 кВт энергетического бюджета Системы жизнеобеспечения на Международной космической станции (МКС) потребляется узлом генератора кислорода (OGA)1, фотоэлектрическим (PV) электролизером воды. для электрохимического производства кислорода.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые оценивают новую технологию, которая может преобразовывать возобновляемую, зеленую энергию за пределами атмосферы Земли. Они используют преимущества фотосинтеза — химических процессов, которые ежедневно проходят заводы для выработки энергии, — чтобы помочь космической отрасли стать более устойчивой.
Исследование, проведенное Уорикским университетом, оценивает использование специального устройства, для поглощения солнечного света на Луне и Марсе. Есть надежда, что данное оборудование поможет в разработке марсианских систем жизнеобеспечения.
Мы предлагаем использовать марсианский CO2, так как его содержание в марсианской атмосфере около 96%.
В нашей модели устройства для разделения воды, мы предлагаем использовать многопереходный полупроводниковый фотокатод, соединенный с анодом, выделяющим кислород. Наши фотопоглотители CO2 представляют собой «спрятанные» фотоэлементы, так как в них нет прямого интерфейса полупроводник-электролит.
В этих «искусственных устройствах фотосинтеза» происходят те же процессы, которые поддерживают жизнь растений на Земле — они превращают воду в кислород, используя только солнечный свет, и рециркулируя углекислый газ. Эти интегрированные системы имеют преимущество прямого использования солнечной энергии и могут снизить вес при длительных космических путешествиях по сравнению с традиционными системами, которые в настоящее время используются на Международной космической станции, что делает космические путешествия более эффективными.
Необходимы эффективные и надежные источники энергии в космосе, позволяющие исследовать нашу Солнечную систему. Есть надежда, что эту технологию можно будет установить на Луне и Марсе для сбора экологически чистой энергии, которая поможет приводить в действие ракеты и дополнять системы жизнеобеспечения для производства кислорода и других химических веществ, а также для переработки углекислого газа. Выводы, полученные в этом исследовании в отношении повышения эффективности устройств, также учитываются при их оптимизации для земных приложений, а также дают представление о производительности традиционных солнечных элементов в космосе.
Луна находится в орбитальном резонансе 1:1 с Землей, и эта приливная синхронизация приводит к синодическому периоду (лунному дню) в 29,53 земных дня, где каждый лунный год равен 354,40 земных дня. Это приводит примерно к двум неделям возможного производства солнечного топлива и кислорода, за которыми следуют две недели темноты на экваторе, что увеличивает потребность в надежных методах хранения энергии или стратегическом расположении устройств, работающих на солнечной энергии, на полюсах.
Марсианский год состоит из 668,60 марсианских суток (солов), каждый из которых приблизительно равен 1,03 земным дням. Эти солы гораздо более характерны для дневного и ночного (суточного) цикла Земли, поскольку они имеют аналогичные соотношения времени дня и ночи. Основное отклонение от земного заключается в том, что марсианский год длится почти в два раза дольше, поэтому мы можем ожидать, что такие периоды, как марсианская зима, также будут длиться почти вдвое дольше, чем зима на Земле. Следовательно, существует настоятельная потребность в том, чтобы любое предлагаемое марсианское устройство преобразования солнечной энергии эффективно использовало слабое солнечное излучение, в противном случае будет несколько месяцев, когда эти устройства просто не смогут работать из-за низкого расположения Солнца.
Учитывая отсутствие лунной атмосферы, температуры на Луне склонны к экстремальным и быстрым колебаниям, достигая от +120 до -233 °C в затененных кратерах лунного полюса. Ввиду отсутствия надежных данных о солнечно-лунной радиации, мы привязываем подобранную гауссову кривую высокого порядка, которая откалибрована для получения 100% солнечной радиации (1367 Вт м−2) к самой высокой зарегистрированной лунной температуре. Экваториальные марсианские температуры имеют менее резкие колебания, но все же колеблются между -87 и -8 °C в течение марсианского года.
Причем, учитывая состав реголита, на Марсе влияние пыли на это оборудование будет менее заметным при всех других равных условиях. Для сравнения, слой пыли толщиной 0,5мм ослабит 99% всего входящего солнечного потока на Луне, вызывая лишь 23% ослабление входящего солнечного излучения на Марсе.
Доцент кафедры химии Катарина Бринкерт сказала: «Исследование космоса людьми сталкивается с теми же проблемами, что и переход на зеленую энергию на Земле: и то, и другое требует устойчивых источников энергии. Поскольку в космосе так много солнечного света, мы показали, как этот источник можно использовать для сбора энергии — так же, как растения на Земле — для систем жизнеобеспечения для долгосрочных космических путешествий. Эта технология может обеспечить достаточное производство кислорода и рециркуляцию углекислого газа как на Луне, так и на Марсе».
Доцент София Хауссенер из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), Швейцария, добавила: «В этом исследовании мы, наконец, количественно оцениваем потенциал таких устройств для внеземного использования и предоставляем первоначальные рекомендации по проектированию для их потенциальной реализации».
хххх
Это разработанный мой перевод двух статей.
Одну можно прочитать и скачать здесь.
А первоисточник можно прочитать и скачать здесь