Сегодня - 17.10.2019

Сквозь тернии к солнечным нанопленкам

12 марта 2010

Олег Пчеляков с имитатором космического вакуумаАктуальность альтернативных источников энергии с годами не иссякает, несмотря на стабильный уровень добычи и имеющиеся запасы углеводородов. В Норвегии, например, готовится проект строительства ветряной турбины, способной обеспечить энергией две тысячи жилых домов. Но, пожалуй, самым известным и востребованным источником возобновляемой энергии являются солнечных батареи. Еще два года назад, на Всемирных играх в Пекине, вся олимпийская деревня передвигалась на «солнечных» электромобилях.

Скептики говорят: солнечная энергия пока еще значительно дороже традиционной энергии тепло- и гидро- электростанций, однако для космических объектов это вообще единственный вариант. А экологичность и возобновляемость «звездной» энергии с каждым годов все значимее и для Земли, тем более, что батареи не требуют практически никакого ухода после инсталляции.

Большинство космических аппаратов в космосе питаются энергией солнечных батарей на основе кремния. Все они — продукт предыдущего поколения электроники, поэтому малоэффективны и громоздки. Достаточно сказать, что батареи Международной космической станции по площади сравнимы с футбольным полем, а на 1 м2 их поверхности падает до 1 кВт энергии солнца, но в электроэнергию преобразуется не более 16%. Увеличение эффективности этих батарей приведёт к уменьшению их веса и площади, что является важнейшим фактором не только для космических, но и для всех мобильных объектов.

Сейчас в России формируется флотилия спутников связи ГЛОНАСС, которая станет альтернативой американской системе GPS-навигации. Каждый из них тоже нуждается в легких и мощных батареях, ведь каждый килограмм «посылки» в космос стоит около 20 тысяч долларов.

Солнечно-батарейная тематика – одна из главных для Института физики полупроводников СО РАН и профильная для Отдела роста и структуры полупроводниковых материалов этого института. Здесь уже сейчас способны делать нанотехнологичные пленки разных полупроводников толщиной не более 0,1 микрона для фотопреобразователей на пластинах кремния диаметром до 100 мм с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Борьба за вакуум

Первое определение вакуума попытался сформулировать Аристотель в 4 веке до н.э., когда сказал, что выпущенный из пращи камень в полете вытесняет вещество из пространства и создает за собой зону пустоты. Полупроводники очень чувствительны к загрязнениям, которые ухудшают способность к преобразованию света. Доказано, что синтез особо чистых гетероструктур наиболее эффективен в глубоком вакууме.

Первую сверхвысоковакуумную установку в ИФП СО РАН собрали еще в 1979 Опытные образцы имитаторов<br />
году, на данный момент выпущено около 30 модификаций. Это направление деятельности новосибирцев в 1993 году было удостоено Государственной премиив. В 2009 Сверхвакуумные установки ИФП СО РАНгоду по заказу ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С. П. Королева изготовлена установка, названная имитатором космического вакуума «Эпицентр» и предназначенная для наземной отработки новой космической эпитаксиальной нанотехнологии. «Эпицентр» — часть международной программы сотрудничества России, США и Казахстана «Экран».

В имитаторе моделируется МЛЭ в космосе, где роль вакуумной камеры выполняет само пространство. Если в нем разогнать диск (именуемый «защитный экран») до первой космической скорости, позади образуется кильватерный след, в котором абсолютно отсутствует вещество, потому что молекулы окружающего пространства имеют меньшую скорость. Пока этот диск летит, он является вакуумной лабораторией, где и будет происходит МЛЭ особочистых нанотехнологичных гетероструктур.

«В объёме таких ультратонких пленок находятся множества нанокластеров – включений других полупроводников, преобразующих свет в разных диапазонах длин волн, так что весь объем поглощающей поверхности становится «цветным» и неоднородным, поэтому свет там «запутывается», что повышает коэффициент поглощения», — говорит о преимуществах сибирских нанопленок полупроводников заместитель директора ИФП СО РАН и руководитель отдела доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков.

Повышать эффективность солнечной батареи ученые рассчитывают и через расположения контактов на батарее: на лицевой поверхности современных батарей находится металлическая сетка, которая примерно на 10% загораживает свет. Благодаря очень тонким слоям синтезированного нанотехнологичного кремния есть возможность расположить контакты с обратной стороны батареи — свет и рождённые им электроны все равно их достигнет.

Невольно рождается вопрос: зачем лететь в космос, если такие кремниевые пластины можно производить, например, в ИФП СО РАН? Но в наземных установках предельные параметры откачных средств и чистоты вакуумной среды уже достигнуты, дальнейшие их улучшения крайне сложны, если не бесполезны. Кроме того, в сравнительно небольших по размерам наземных вакуумных объемах неизбежно влияние эффекта накопления распыляемых материалов и примесей на поверхности стенок и вакуумной оснастки. Неконтролируемое реиспарение этих материалов препятствует синтезу особочистых полупроводников.

«Космос для космоса – это абсурд»

Энергия солнца пригодится не только спутникам. Существуют проекты создания колоний-поселений на Луне, ведь она идеальна для расположения полей солнечных батарей, а ее грунт — реголит — пригоден как сырье для МЛЭ кремния. Полученные киловатты можно будет использовать для обеспечения поселений, а остатки переправлять на Землю по лазерному или СВЧ-лучу.

Фантастическая и одновременно абсолютно реальная идея космической фабрики нанопленок на кремнии уже давно бы осуществилась на борту орбитальной станции «Мир», если бы она не была затоплена в 2001 году. После этого были значительно урезаны все космические программы, возрождение которых началось только через пять лет.

«Меня могут обвинить в передергивании фактов: в космос действительно очень дорого поднимать каждый килограмм, однако космос для космоса – это абсурд, поэтому переправить туда все вакуумно-совместимые микро- и нанотехнологии — одна из важнейших задач человечества», — комментирует Олег Петрович.

Имитатор космического вакуума «Эпицентр» проектировался три года, на изготовление ушло еще полтора. Сейчас исследователи рассчитывают предложить прибор университетам по всему миру, чтобы в 2013 году провести совместный эксперимент: студенты в разных уголках земли заходят в скафандрах в чистое помещение, загружают пластины в Олег Петрович Пчеляков и Алекс Игнатьевсверхвысоковакуумный аппарат, все то же самое проделывает космонавт на российском сегменте МКС с опытной установкой; оба процесса управляются из Университетского наноцентра и из Центра управления полетами. После завершения технологического процесса кассеты с готовыми образцами может доставить на Землю тот же грузовой корабль «Прогресс», а студенты получат материал для сравнительного анализа выращенных собственными силами и космических гетероструктур. С помощью этого эксперимента удастся убить еще одного зайца: Олег<br />
Пчеляков с коллегой Алексом Игнатьевымк времени предполагаемого запуска полноценной космической фабрики нанотехнологических высокоэффективных гетероструктур — 2020 году — вырастут высококвалифицированные специалисты.

Американский коллега Олега Петровича Пчелякова Алекс Игнатьев из Хьюстонского университета уже три раза выращивал нанопленки в космосе, нашел коммерческие деньги для четвертого эксперимента, однако его сорвало закрытие программы NASA Space Shuttle.Сейчас у сибирских ученых есть реальный шанс догнать американские опытные испытания. Остается ждать, что предложения ИФП СО РАН одобрят в Совете по космосу РАН и Роскосмосе, ведь на осуществление планов необходима совсем не космическая сумма — около двух миллиардов рублей.

Александра Белкина

Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus