Новое исследование, выполненное международной группой ученых, предлагает рассматривать трибоэлектрические наногенераторы (TENG) как потенциально революционное решение для задач космических исследований.
Трибоэлектрические наногенераторы — это легкие источники энергии, способные преобразовывать механическое движение, такое как вибрации или трение, в пригодную для использования электрическую энергию.
В работе, подготовленной специалистами Лулеоского технологического университета в Швеции, Университета Халифы в ОАЭ и Кембриджского университета в Великобритании, утверждается, что такие устройства могут существенно снизить зависимость космических миссий от тяжелых и громоздких аккумуляторов.
Ученые провели масштабный обзор концепта «самообеспечивающихся энергетических и сенсорных решений для космических систем нового поколения». Согласно их выводам, TENG способны собирать и преобразовывать рассеянную механическую энергию — от вибраций при запуске ракеты и ветров на поверхности планет до движений самих космонавтов — в полезное электричество.
Печатные, складные и сверхкомпактные энергетические «пластыри» можно разместить внутри спутников формата кубсат или встроить прямо в перчатки скафандра, извлекая энергию буквально из каждого движения человека.
В исследовании подчеркивается, что TENG представляют собой легкое и радиационно-стойкое решение, способное эффективно работать там, где обычная электроника терпит неудачу. Изготовленные из материалов космического класса — таких как тефлон и графен — эти устройства выдерживают марсианское давление и высокие дозы радиации (до 10 килогрей).
Более того, жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение в дальнем космосе не ухудшает их работу, а наоборот, может усиливать ее. Интенсивное УФ-облучение способно увеличить плотность электрического заряда в 157 раз, превращая один из главных факторов риска в источник дополнительной мощности.
Поскольку TENG одновременно служат источниками энергии и датчиками окружающей среды, их использование позволяет сократить массу кабельных систем примерно на 30%, что критически важно для дальних космических миссий.
Исследователи протестировали «космические многослойные конструкции», которые выдержали дозу радиации 10 килогрей практически без ухудшения характеристик. Они были изготовлены из фторированных полимеров, графена и самовосстанавливающихся эластомеров. Устройства сохраняли стабильность при температурах свыше 260°C и теряли менее 5% эффективности даже после экстремального радиационного воздействия.
Такие генераторы компактны и универсальны. Пластина размером с крупную почтовую марку способна вырабатывать напряжение до 98 вольт при минимальном движении. В реальных миссиях TENG уже продемонстрировали впечатляющую гибкость применения.
В одном из экспериментов сенсоры парашютной системы, питаемые TENG, выдержали 100 ударов марсианской пыли в специальной испытательной камере. Для пилотируемых миссий версии на основе аэрогеля, вплетенные в скафандры, генерировали до 135 вольт от шага космонавта в широком температурном диапазоне и по беспроводной связи передавали биометрические данные на базу.
За пределами орбиты TENG уже прошли испытания в Арктике: буи с такими генераторами успешно собирали энергию волн для питания аварийных маяков.
Несмотря на огромный потенциал, для полноценного использования в дальнем космосе технология требует дальнейшей доработки — в частности, развития радиационно-стойких композитов и цифровых двойников с элементами искусственного интеллекта.
По мнению авторов исследования, будущее космической энергетики, вероятно, лежит в гибридных системах, объединяющих TENG с солнечными и термоэлектрическими генераторами, чтобы обеспечить непрерывное энергоснабжение обитаемых модулей лунной программы «Артемида» и последующих миссий.