1
سطح غبارآلود ماه به‌زودی ممکن است کاربردی فراتر از چسبیدن به چکمه‌های فضانوردان پیدا کند – این سطح می‌تواند نیروی مورد نیاز شهرهای ماه‌نشین آینده را تأمین کند. پژوهشگران اخیراً نشان داده‌اند که سلول‌های خورشیدی ساخته‌شده از شبیه‌ساز غبار ماه، قادرند انرژی کارآمد و مقاوم در برابر تشعشع را بدون نیاز به حمل تجهیزات سنگین از زمین، فراهم کنند.
چرا فضا به منبع انرژی سبک‌تری نیاز دارد؟
اکثر سلول‌های خورشیدی فعلی در فضا اگرچه کارآمد هستند، اما بسیار حجیم‌اند و هزینه پرتاب آن‌ها چندین میلیون دلار به ازای هر کیلوگرم است.
«سلول‌های خورشیدی مورد استفاده در فضا امروزه فوق‌العاده هستند و بازدهی بین ۳۰ تا ۴۰ درصد دارند، اما این بازدهی هزینه‌بر است،» دکتر فلیکس لنگ، پژوهشگر اصلی از دانشگاه پوتسدام توضیح می‌دهد.
راه‌حل جایگزین
تیم او راه‌حل سبک‌تری ارائه داده است. آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که اجزای سلول‌های خورشیدی مستقیماً بر روی ماه و با استفاده از رگولیت – ماده‌ای گرد و خاکی که سطح ماه را پوشانده – ساخته شوند.
این تغییر، جرم پرتاب را تا ۹۹.۴٪ کاهش داده، هزینه‌ها را تا ۹۹٪ کاهش می‌دهد و امکان توسعه زیرساخت‌های جدید در ماه را فراهم می‌سازد.
ساخت سلول‌های خورشیدی با خاک ماه
تیم تحقیقاتی، رگولیت شبیه‌سازی‌شده ماه را ذوب کرده و به شیشه‌ای به نام شیشه ماه تبدیل کرد. این شیشه جایگزین پوشش‌های سنتی ساخت زمین در پنل‌های خورشیدی شد.
استفاده از پرُوسکایت برای بازدهی بیشتر
سپس آن‌ها کریستالی به نام پرُوسکایت را به پنل‌ها اضافه کردند که به دلیل هزینه کم و بازدهی بالا معروف است. نتیجه، پنلی بود که توانست بین ۲۲ تا ۵۰ وات بر گرم انرژی تولید کند – بسیار فراتر از پنل‌های سنتی.
«اگر وزن را ۹۹٪ کاهش دهید، دیگر نیازی به سلول‌های ۳۰٪ کارآمد نیست. فقط تعداد بیشتری از آن‌ها را روی ماه می‌سازید،» لنگ توضیح می‌دهد.
«به‌علاوه، سلول‌های ما در برابر تشعشع پایدارتر هستند، درحالی‌که سلول‌های فعلی با گذر زمان دچار افت عملکرد می‌شوند.»
مقاومت بالای سلول‌های ماه‌ساخت در برابر تشعشع
شیشه ماه به‌طور طبیعی در برابر تشعشع مقاوم است، و این به دلیل وجود ناخالصی‌های آهن در آن است. برخلاف شیشه‌های استاندارد که در فضا تیره می‌شوند، شیشه ماه پایدار باقی می‌ماند.
عملکرد عالی در شرایط آزمایشگاهی
در آزمایش‌هایی که شرایط تشعشعی فضا را شبیه‌سازی می‌کردند، سلول‌های خورشیدی ساخته‌شده با شیشه ماه ۹۹.۶٪ از عملکرد اولیه خود را حفظ کردند – حتی پس از بمباران با پروتون‌هایی به انرژی ۶۸ MeV.
چسبندگی پرُوسکایت به شیشه ماه خوب بود و عملکرد نوری نیز عالی ارزیابی شد. حتی نسخه‌های نازک‌تر شیشه ماه تا ۸۰٪ شفافیت نوری داشتند که موجب افزایش بازدهی نهایی می‌شود.
یک فرآیند تولید ساده اما قدرتمند
ساخت شیشه ماه نیازی به تجهیزات پیچیده ندارد.
استفاده از نور خورشید متمرکز
نور خورشید متمرکز می‌تواند رگولیت را ذوب کرده و به شیشه تبدیل کند. یک کوره خورشیدی کوچک با لنز یا آینه کافی است. تنها ۱ کیلوگرم پرُوسکایت وارداتی از زمین و یک تن خاک ماه می‌تواند ۴۰۰ متر مربع پنل خورشیدی تولید کند.
این مقدار برای تأمین انرژی پایگاه‌های اولیه مانند برنامه آرتمیس ESA کفایت می‌کند. تخمین‌ها نشان می‌دهد بازگشت انرژی در نیم سال حاصل می‌شود – در حالی‌که سلول‌های سیلیکونی ممکن است تا ۲.۵ سال زمان نیاز داشته باشند.
پنل‌های ماه‌ساخت با بازدهی زمینی
تیم پژوهش سه نوع سلول خورشیدی با شیشه ماه ساخت. یکی از آن‌ها از الکترود مسی مات استفاده می‌کرد که به دلیل ضخامت شیشه، تنها بازدهی ۸.۶٪ داشت. اما طرح‌هایی با تماس‌های فلزی یا اکسیدی شفاف، بازدهی را تا ۱۲.۳٪ افزایش دادند.
بازدهی رقابتی در شبیه‌سازی‌ها
با استفاده از شیشه‌های نازک‌تر و مواد تماس بهینه‌تر، بازدهی پیش‌بینی‌شده ۲۱ تا ۲۳٪ است – که با پنل‌های تجاری زمینی رقابت می‌کند، در حالی‌که تولید آن‌ها در ماه بسیار آسان‌تر است.
مقاومت بیشتر در برابر تشعشع نسبت به سلول‌های استاندارد
تشعشع در ماه شدیدتر از ایستگاه فضایی بین‌المللی است، اما پرُوسکایت‌ها به پایداری معروف‌اند.
در ترکیب با شیشه ماه، این سلول‌ها بدون کاهش عملکرد قابل‌توجه از تشعشع جان سالم به در بردند. برخلاف شیشه معمولی که در برابر تشعشع دچار تغییر رنگ می‌شود، شیشه ماه شفاف باقی ماند.
نقش آهن در پایداری
وجود اتم‌های آهن باعث می‌شود الکترون‌ها و حفره‌ها به دام بیفتند و مانع تغییر رنگ شیشه شوند. این عملکرد مشابه شیشه‌های دُپ‌شده با سریم است – ولی بدون نیاز به افزودنی‌های نادر.
چرا از سیلیکون استفاده نکنیم؟
تبدیل خاک ماه به سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سال‌هاست که رؤیای دانشمندان است. اما تبدیل رگولیت به سیلیکون خالص فرآیندی پیچیده، نیازمند تجهیزات سنگین، تصفیه شیمیایی و کنترل دقیق است. همچنین، سلول‌های سیلیکونی در برابر تشعشع به سرعت آسیب می‌بینند.
در مقابل، شیشه ماه و پرُوسکایت‌ها با ابزار ساده تولید می‌شوند، تحمل بالاتری در برابر تشعشع دارند، انعطاف‌پذیرتر در طراحی هستند و هزینه‌ی کمتری دارند.
غبار ماه می‌تواند خانه‌های آینده را روشن کند
«از استخراج آب برای سوخت گرفته تا ساخت خانه با آجرهای ماهی، دانشمندان همواره در تلاش‌اند تا از غبار ماه بهره ببرند،» لنگ اشاره می‌کند.
«اکنون می‌توانیم آن را به سلول خورشیدی هم تبدیل کنیم – شاید همان منبع انرژی مورد نیاز شهرهای آینده روی ماه باشد.»
پژوهش این تیم نویدبخش آینده‌ای است که در آن پایگاه‌های ماهی با استفاده از منابع محلی نیرو می‌گیرند – بدون نیاز به ارسال تنها شیشه و سلول خورشیدی از زمین. فقط کافی است آنچه زیر پا دارید را ذوب کرده و شروع به تولید برق کنید.
ممکن است ساخت یک شهر روی ماه سال‌ها زمان ببرد – اما شبکه‌ی برق آن شاید همین حالا در دل غبار آماده باشد.
این پژوهش در مجله Device منتشر شده است.
source