(Proyector de Nanowerk) Los sistemas que generan energía para naves espaciales en órbita terrestre o para otros objetivos en el sistema solar y en el espacio se encuentran entre los componentes críticos de cualquier misión. Según los requisitos de energía eléctrica de la misión, se pueden utilizar varias tecnologías para obtener un suministro de energía eficiente; cada uno con sus propias ventajas y desventajas.
Para misiones muy cortas, de semanas a meses, se pueden utilizar fuentes de energía electroquímica como baterías no recargables y pilas de combustible. Para misiones más largas, los sistemas fotovoltaicos (PV) o los sistemas de energía nuclear en combinación con baterías recargables son las únicas opciones disponibles para garantizar un suministro de energía ininterrumpido y estable.
Satélites para misiones a planetas interiores (es decir, Mercurio 0,4 AU, Venus 0,7 AU, Tierra 1,0 AU y Marte 1,5 AU; AU significa Unidad Astronómica y representa la distancia media entre el Sol y la Tierra, es decir, ∼ 149,6 millones de km). usar celdas solares.
Los tremendos avances en fotovoltaica en las últimas décadas han allanado el camino para el uso de células solares también para los satélites que viajan al espacio más allá de Marte, utilizando múltiples estrategias según la tecnología estudiada.
Por ejemplo, a principios de este año, la ESA reinició la investigación sobre energía solar basada en el espacio con una campaña para recopilar ideas para mejorar la viabilidad de la energía solar basada en el espacio y apoyar el desarrollo de energía limpia.
Por ejemplo, Stardust (enviado a los cometas Wild 2 y Tempel 1, 2,7 AU), Dawn (utilizado para la investigación en el asteroide más grande Vesta y el planeta enano Ceres, 3,0 AU), Juno (actualmente estudiando Júpiter, 5,4 AE) y Rosetta ( encargados de analizar el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, 5,3 AU) son naves espaciales alimentadas por energía solar diseñadas para operar a largas distancias del Sol.
Por lo general, las células solares son dispositivos heteroestructurados compuestos por varios materiales diferentes apilados sobre un sustrato. En la actualidad, los colectores de luz más utilizados en las tecnologías fotovoltaicas para aplicaciones espaciales son el Si y los semiconductores utilizados para las células solares multiunión como el Ge, los semiconductores III-V como el GaAs, el InP y sus aleaciones (InGaP, InGaAs, InGaNAs, AlInGaP y AlInGaAs).
El espacio presenta una frontera desafiante para la ciencia de los materiales y sus aplicaciones, ya que las duras condiciones del entorno extraterrestre requieren propiedades fisicoquímicas específicas. Una calificación reciente (Materiales energéticos avanzados«Energía solar en aplicaciones espaciales: revisión y perspectivas tecnológicas») ofrece un resumen de las tecnologías fotovoltaicas disponibles comercialmente (células solares basadas en Si y células solares de unión múltiple) y algunas prometedoras (células solares basadas en CIGS y perovskita). células solares) para misiones espaciales.
La primera parte de esta revisión analiza los procesos físicos que subyacen al funcionamiento de una celda solar y analiza las propiedades físicas que guían la selección de materiales semiconductores para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos.
En la segunda parte, los autores describen el entorno espacial y los requisitos específicos que deben cumplir las células solares para soportar las duras y duras condiciones en las que operan.
La tercera parte resume el rendimiento de cada tipo de celda solar espacial y el impacto que el entorno espacial hostil (teniendo en cuenta, por ejemplo, la radiación de partículas de alta energía y las fluctuaciones térmicas) tiene en las propiedades de las diferentes tecnologías fotovoltaicas.
Debido a la creciente privatización de las misiones espaciales, existe una gran demanda de tecnologías fotovoltaicas más baratas. En particular, las células solares basadas en Si se utilizan para misiones de corta duración y baja potencia debido a un buen compromiso entre el rendimiento y los costes de producción.
Se están explorando tecnologías fotovoltaicas alternativas con el objetivo de reducir los costes de fabricación y mantenimiento y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos de ligereza y flexibilidad, allanando el camino para la fabricación de sistemas solares flexibles.
En su perspectiva sobre los materiales futuros que podrían usarse para la energía fotovoltaica espacial, los autores analizan los nanomateriales bidimensionales (2D) como el grafeno, los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC, por ejemplo, MoS).2SW2etc.) y carburos, nitruros y carbonitruros de metales de transición (MXene, por ejemplo, Ti3C2TX). Gracias a sus excelentes propiedades optoelectrónicas, químicas y mecánicas, estos materiales se han propuesto como electrodos conductores transparentes, contraelectrodos, capas de transporte de carga e intercapas.
De hecho, las agencias espaciales ya están probando y proponiendo algunas tecnologías basadas en materiales 2D para misiones espaciales:
Los materiales 2D también se han probado en la Tierra en condiciones relacionadas con el espacio, especialmente en términos de resistencia a la radiación, como componentes de dispositivos electrónicos como transistores, sensores, etc. Sorprendentemente, a pesar del espesor reducido, los materiales 2D muestran una excelente resistencia al bombardeo con partículas de alta energía (incluidos electrones, protones y rayos γ).
Estas pruebas de radiación muestran que los dispositivos basados en materiales 2D pueden soportar fluencias de radiación superiores a las requeridas en órbitas terrestres bajas. Dado que los materiales 2D tienen un alto potencial tanto para materiales fotovoltaicos como resistentes a la radiación, las células solares basadas en materiales 2D serán una tecnología futura probable para aplicaciones espaciales.
Miguel
Berger
–
Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk
¡Conviértase en un escritor invitado de Spotlight! Únase a nuestro grupo grande y creciente de escritores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o tiene otros avances interesantes que le gustaría compartir con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
