Радиация их чинит: созданы солнечные панели, способные к самовосстановлению в космосе
Космическая среда крайне агрессивна по отношению к сложной технике. Основную угрозу для спутников и орбитальных станций представляет не вакуум или перепады температур, а ионизирующее излучение. Радиационные пояса Земли, заполненные протонами и электронами высоких энергий, действуют как постоянный абразив, разрушающий структуру материалов.
Наиболее уязвимым элементом любой космической миссии остаются солнечные батареи. При том, что именно от их способности вырабатывать электричество зависит жизнь аппарата. Сегодня инженерия решает проблему «в лоб»: создаются сверхэффективные, но хрупкие фотоэлементы, которые затем закрываются толстым слоем защитного стекла. Это увеличивает вес спутника и стоимость запуска.
Однако исследование, проведенное в 2025 году физиками Университета Толедо и опубликованное в научном журнале Solar RRL, предлагает альтернативный подход. Ученые обнаружили, что класс материалов, известный как халькогениды сурьмы, обладает свойством «радиационной твердости». Эти соединения способны сохранять работоспособность под интенсивным облучением и даже восстанавливать свою структуру без внешнего вмешательства.
Физика деградации: что происходит с электроникой в космосе
Разберемся в механизме старения солнечных панелей. Современные космические батареи изготавливаются из материалов группы III-V (например, арсенида галлия). Это монокристаллические структуры с идеально упорядоченной атомной решеткой. Именно этот порядок обеспечивает их высокий коэффициент полезного действия — способность превращать до 30% солнечного света в электричество.
Однако идеальный порядок является и их слабым местом. Когда высокоэнергетичная частица (например, протон) врезается в кристалл, происходит процесс, который физики называют «смещением атомов». Частица выбивает атомы из их мест в решетке, создавая вакансии и междоузлия.
Эти дефекты на субатомном уровне действуют как ловушки для носителей заряда. Электрон, выбитый фотоном света, должен двигаться к электроду, создавая ток. Но если на его пути встречается радиационный дефект, электрон застревает в нем и рекомбинирует — его энергия рассеивается в виде тепла, а не электричества. Чем дольше спутник находится на орбите, тем больше накапливается таких дефектов, и тем сильнее падает мощность энергосистемы.
Эксперимент с халькогенидами сурьмы
В поисках решения исследователи обратились к тонкопленочным материалам — сульфиду сурьмы (Sb₂S₃) и селениду сурьмы (Sb₂Se₃). Это поликристаллические полупроводники, которые отличаются простотой синтеза и низкой стоимостью производства. Ранее их рассматривали преимущественно для наземного использования, но их потенциал для космоса оставался неизученным.
Для проверки гипотезы ученые сымитировали условия жесткого космического излучения. Образцы солнечных элементов поместили в вакуумную камеру и подвергли обстрелу потоками протонов с энергией 100 и 300 килоэлектронвольт (кэВ). Плотность потока (флюенс) варьировалась от 10¹¹ до 10¹⁴ протонов на квадратный сантиметр. Максимальные значения в этом эксперименте соответствуют накопленной дозе радиации, которую спутник получил бы за десятилетия работы на низкой околоземной орбите.
В то время как стандартные кремниевые или сложные многопереходные элементы при таких нагрузках теряют значительную часть своей мощности, ячейки на основе сурьмы продемонстрировали высокую стабильность.
Даже после получения критических доз радиации (эквивалентных смещающей дозе 10¹³ МэВ/г), исследуемые образцы сохранили ключевые характеристики — напряжение холостого хода и коэффициент заполнения — на уровне выше 80% от исходных значений.
Термодинамическое самовосстановление
Анализ физических процессов показал, что устойчивость халькогенидов сурьмы обусловлена специфической реакцией материала на облучение.
Когда протон проходит через вещество, он теряет энергию двумя путями:
- Неионизирующие потери (NIEL): протон сталкивается с ядрами атомов, смещая их и разрушая решетку. Это негативный процесс.
- Ионизирующие потери (IEL): протон взаимодействует с электронными оболочками атомов, передавая им энергию.
В большинстве материалов ионизация не приводит к восстановлению структуры. Однако халькогениды сурьмы обладают низкой энергией образования дефектов и высокой подвижностью атомов при возбуждении. Энергия, переданная материалу в процессе ионизации, трансформируется в тепловые колебания кристаллической решетки (фононы).
Этот локальный нагрев запускает процесс, известный как «отжиг». Атомы, смещенные со своих мест в результате ударов протонов, получают достаточно энергии, чтобы вернуться в стабильное положение. Фактически, радиация одновременно наносит повреждения и поставляет энергию для их устранения. Скорость самовосстановления в этих материалах оказывается сопоставимой со скоростью деградации, что обеспечивает стабильность работы устройства.
Инженерные последствия и проблема веса
Открытие радиационной стойкости Sb₂S₃ позволяет пересмотреть конструкцию спутников. В настоящий момент для защиты солнечных батарей используется специальное радиационно-стойкое стекло с добавлением церия. Толщина этого стекла (от 100 до 500 микрометров) напрямую зависит от предполагаемого уровня радиации на орбите.
Стекло — это мертвый груз. Оно не вырабатывает энергию, но добавляет килограммы к массе аппарата. В космической индустрии, где стоимость вывода одного килограмма груза на орбиту исчисляется тысячами долларов, снижение веса является приоритетной задачей.
Компьютерное моделирование, проведенное авторами исследования, показало, что на орбите высотой 5000 км (зона высокой радиации) элементы из халькогенида сурьмы могут работать практически без защитного стекла. За год эксплуатации их эффективность снизится менее чем на 5%. Для сравнения: традиционные элементы без защиты в тех же условиях потеряют более 40% мощности.
Использование тонких пленок на основе сурьмы позволяет создавать гибкие солнечные панели, которые можно сворачивать в рулоны при запуске и разворачивать на орбите. Это открывает путь к созданию энергетических установок с высокой удельной мощностью (ватт на килограмм веса).
Главный барьер: эффективность
Несмотря на очевидные преимущества в надежности и стоимости, технология пока не готова к массовому внедрению из-за одного существенного недостатка — низкого начального КПД.
Лучшие лабораторные образцы элементов на основе Sb₂S₃ показывают эффективность преобразования света около 10,6%. Это в три раза меньше, чем у передовых многопереходных элементов (30-32%), используемых сейчас. Даже с учетом деградации традиционных панелей, их остаточная мощность в абсолютных цифрах пока остается выше, чем у стабильных, но менее эффективных сурьмяных ячеек.
Однако здесь вступает в силу экономический фактор. Халькогениды сурьмы состоят из доступных и дешевых элементов, а их производство не требует сверхсложных технологий эпитаксиального роста кристаллов. Это делает их кандидатами для развертывания масштабных группировок малых спутников, где стоимость каждого аппарата имеет значение.
Перспективы технологии
Вместо того чтобы пытаться защитить хрупкую земную электронику от космоса с помощью брони, инженеры начинают искать материалы, которые невосприимчивы к условиям жесткого излучения.
Сейчас усилия исследователей сосредоточены на повышении базового КПД халькогенидных элементов. Рассматриваются различные стратегии:
- Легирование: введение примесей селена позволяет изменять ширину запрещенной зоны материала, оптимизируя его для поглощения солнечного спектра.
- Тандемные структуры: создание многослойных элементов, где халькогениды сурьмы используются в качестве верхнего широкозонного слоя в паре с кремнием или другими материалами.
Если эффективность этих элементов удастся поднять до уровня 15-18%, их сочетание с радиационной стойкостью и малым весом сделает их безальтернативным выбором для длительных миссий в радиационных поясах Земли или полетов к планетам-гигантам, обладающим мощными магнитосферами. Технология доказывает, что в экстремальных условиях надежность и способность к самовосстановлению становятся важнее пиковых показателей производительности.
Источник:Solar RRL
