Hocheffiziente Solarzellen treiben Satelliten an – können sie auf die Erde kommen?

Nach der Ankunft einer neuen Flotte von Roboterforschern sind die Augen der Welt der Weltraumbeobachtung möglicherweise jetzt auf den Mars gerichtet, aber später in diesem Jahr wird die ehrgeizige Lucy-Mission der NASA einen Teil des Rampenlichts stehlen. Lucy startet am 16. Oktober mit einer mehr als zehnjährigen Mission und ist auf dem Weg zu den Trojanern, fernen Asteroiden, die in Jupiters Umlaufbahn folgen.

Die meisten früheren Versuche zum äußeren Sonnensystem stützten sich auf teure thermoelektrische Radioisotopgeneratoren, wie beispielsweise die Sonden Voyager und New Horizons. Stattdessen trägt Lucy ein Paar Solarpanel-Arrays. Sie entfalten sich wie riesige Handfächer mit einem Durchmesser von jeweils 6 Metern. Wenn Sie über Jupiters Umlaufbahn hinausgehen, wird Lucy weiter von der Sonne entfernt sein als jedes frühere Solarpanel – der vorherige Rekord war für Juno, der sich derzeit in der Jupiter-Umlaufbahn befindet.

Der „extreme Strombedarf“ da draußen ist „so ziemlich der Kern des Grundes, warum die Solaranlage so groß und erstaunlich ist“, sagt Katie Oakman, Leiterin von Lucy’s Spacecraft Structures and Mechanisms.

Dies bedeutete, die photovolatische Forschung in verschiedene Richtungen zu forschen, um sich auf die Entwicklung von Solarenergie für den Einsatz auf der Erde zu konzentrieren. Während billige Silizium-Photovoltaikzellen die saubere Energiewende auf der Erde befeuern, muss sich die Weltraumsolar auf andere Arten von Sonnenkollektoren verlassen.

Die Bedingungen variieren, aber die Photovoltaik im Weltraum steht vor einer Reihe von Herausforderungen. Selbst in der bescheidenen Erdumlaufbahn arbeiten Satelliten außerhalb des Schutzes einer Atmosphäre. Das bedeutet, dass weltraumgestützte Sonnenkollektoren drastischen Temperaturschwankungen zwischen kaltem Schatten und sengendem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Und dieses Sonnenlicht ist anders: Es hat mehr Ultraviolett als wir zum Beispiel am Boden sehen.

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Im Weltraum gibt es eine weitere Gefahr: ionisierende Strahlung. Sonnenkollektoren in der Erdumlaufbahn können dem Strudel der Van-Allen-Gürtel ausgesetzt sein, während Sonnenkollektoren an anderer Stelle möglicherweise den Sonnenwind der Sonne überstehen müssen. Mit der Zeit nimmt diese Strahlung die Wirksamkeit der Solarzellen auf. Eine Solarzelle, die sich 15 Jahre lang in der geosynchronen Umlaufbahn der Erde befindet und etwa 36.000 Kilometer hoch ist, wird eine Wirksamkeit von rund 80 Prozent erreichen.

Die sehr frühen Satelliten der 1950er und 1960er Jahre verwendeten Silizium-Photovoltaikzellen. Die Designer begannen jedoch bald, sich mit sogenannten Multi-Junction (MJ) III-V-Solarzellen zu befassen, die aus Schichten mehrerer Materialien hergestellt wurden, die jeweils eine andere Lichtwellenlänge absorbierten. MJ-Zellen sind effizienter, widerstandsfähiger unter den überirdischen Bedingungen des Weltraums und leichter.

„Aufgrund dieser Dinge setzen die Weltraumindustrien seit geraumer Zeit III-V-Solarzellen ein“, sagt er Ryan Frankreich, Wissenschaftler am National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, außerhalb von Denver.

NREL war in den letzten Jahrzehnten Pionier bei MJ III-V-Zellen, und in jüngerer Zeit haben Forscher dort MJ-Zellen in Richtung vorangetrieben der gepriesene Meilenstein von 50 Prozent Effizienz. Die meisten MJ-Zellen bestehen aus drei Schichten, aber im Jahr 2020 NREL-Forscher vorgestellt Eine Zelle mit sechs Übergängen, die unter konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von 47 Prozent erreichte und den Silizium-Photovoltaikzellen überlegen war.

Bring es zurück auf die Erde

Auf der Erde stehen MJ-Zellen jedoch vor einem wirtschaftlichen Hindernis: Die geringen Kosten und die überwältigende Marktbeherrschung von Silizium-Photovoltaikzellen machen es zu einem Kampf, MJ-Zellen zu kommerzialisieren. Preise für Siliziumzellen sind sechzigfach gefallen seit 1980 in einem Rückgang, der wenig Anzeichen für ein Anhalten zeigt.

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Bisher werden MJ-Zellen hauptsächlich in konzentrierter Solarenergie eingesetzt, bei der Spiegel oder Linsen verwendet werden, um das Sonnenlicht auf das Solarpanel zu fokussieren und zu intensivieren. Dies führt zu beeindruckenden Effizienzwerten, aber außerhalb des Labors konnte es nicht mit billigem Silizium mithalten.

Aber NREL-Forscher haben ihren Fokus jetzt von der 50-Prozent-Leistungsgrenze abgewandt, um die Kosten für MJ-Zellen zu senken. “Je mehr wir die Kosten senken”, sagt Frankreich, “desto mehr Märkte haben wir möglicherweise.” Sie wollen den Weg für MJ-Zellen ebnen, um neue Anwendungen zu erreichen, obwohl noch nicht klar ist, was all diese Anwendungen sein könnten.

Aber billigere Solarzellen werden zweifellos wiederum den Weltraumanwendungen zugute kommen. Und Oakman glaubt, dass das Entfalten von Sonnenkollektoren wie das von Lucy auch einen Platz in der Zukunft der Menschheit außerhalb der Welt hat – insbesondere in der Nähe von Jupiter, wo Temperaturen und Lichtverhältnisse viel, viel niedriger sind als in der Nähe der Erde.

“Wenn wir weiterhin Raumschiffe zum äußeren Sonnensystem schicken wollen”, sagt sie, “dann gibt es meiner Meinung nach alle möglichen Möglichkeiten, diese Art von Design in Zukunft zu nutzen.”

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