Space Solar kommt und Perowskite sind auf dem Vormarsch

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Weltraumsolar schien in den frühen 2000er Jahren eine verrückte Idee zu sein, aber die Nuss beginnt zu knacken. Ein Forschungsteam am California Institute of Technology hat gerade einen monatelangen In-Orbit-Test von drei wichtigen Weltraum-Solartechnologien abgeschlossen, darunter eine Charge von 32 verschiedenen Arten von Solarzellen. Perowskit-Solarzellen haben es bei diesem ersten Test geschafft, aber es ist kompliziert …

Space Solar ist schließlich nicht verrückt

Unter Weltraumsolar versteht man die Idee, Sonnenenergie von umlaufenden Solaranlagen zu sammeln und zur Erde zu strahlen. Das macht in gewisser Weise Sinn, wenn man bedenkt, dass Solarenergie seit den 1950er Jahren ein Bestandteil der Weltraumaktivitäten ist.

Eine Weltraum-Solaranlage könnte diese Energie einfach auf die Erde übertragen, um sie auf dem Heimatplaneten überall auf der Welt rund um die Uhr und unabhängig vom Wetter zu nutzen.

Nun, es ist nicht einfach. Zu den gewaltigen Hindernissen gehören Größe, Kosten, die schwierigen Manöver, die zum Entfalten einer Solaranlage im Weltraum erforderlich sind, und die Fähigkeit der Solarzellen, der rauen Weltraumumgebung, einschließlich Sonneneruptionen und geomagnetischer Aktivität, standzuhalten. Die NASA weist außerdem darauf hin, dass Weltraumsolaranlagen eine geostationäre Umlaufbahn aufrechterhalten müssten, was bedeutet, dass sie sich weiter draußen im Weltraum befinden müssten als herkömmliche Satelliten.

Dennoch liebt die Wissenschaft Herausforderungen. Den Philanthropen Donald und Brigitte Bren wird weithin zugeschrieben, dass sie 2011 in den USA ernsthafte Arbeiten zur Weltraumsolararbeit in Gang gesetzt haben, mit einer Reihe von Finanzierungszusagen an Caltech in Höhe von insgesamt mehr als 100 Millionen US-Dollar. Northrup Grumman spendete mehrere Jahre lang 12,5 Millionen US-Dollar, und auch die US Air Force und die US Navy erforschen das Weltraumsolarfeld (siehe mehr). CleanTechnica Berichterstattung hier).

Was die NASA angeht, nehmen sie eine abwartende Haltung ein, obwohl sie erst letzte Woche festgestellt haben, dass ihre aktuelle Portfolio an Aktivitäten umfasst mehrere Schlüsseltechnologien, die für die Weltraumsolartechnik gelten, darunter autonome Systeme und drahtlose Energieübertragung, sowie die Fähigkeit, Solaranlagen im Weltraum herzustellen, zu montieren und zu warten.

Erkenntnisse aus der Raumfahrt und Solarenergie

In der neuesten Entwicklung veröffentlichte das Caltech-Team letzte Woche eine Nachbesprechung zu seinem umlaufenden Weltraum-Solarprüfstand. Der Test mit der Bezeichnung SSPD-1 (kurz für Space Solar Power Demonstrator) startete am 3. Januar 2023 für eine zehnmonatige Kreuzfahrt.

Das Ziel bestand darin, drei Schlüsseltechnologien zu bewerten: drahtlose Energieübertragung, erfolgreiche Bereitstellung und natürlich alles Wichtige Photovoltaik-Technologie.

Auf dem Weg gab es auf jeden Fall einige Unebenheiten, aber das war der Punkt, also konzentrieren wir uns auf die 32 verschiedenen Arten von Solarzellen.

Der Solarzellenanteil von SSPD-1 trägt den Namen ALBA, was keine Abkürzung ist. In Großbuchstaben sieht es wie ein Akronym aus, ist es aber nicht. Alba ist im Italienischen und in mehreren anderen Sprachen das Wort für Morgendämmerung. Es ist unter anderem auch das schottisch-gälische Wort für Schottland.

Wie dem auch sei, ALBA testete fast drei Dutzend verschiedene Arten von Solarzellen, darunter einige, die als „drei völlig neue Klassen ultraleichter Solarzellen in Forschungsqualität, von denen keine jemals zuvor im Orbit getestet wurde“ beschrieben wurden.

Neben der Beurteilung, wie gut die Solarzellen funktionieren, hat das SSPD-Team auch mit Kostensenkungen zu tun.

„Derzeit im Handel erhältliche Weltraumsolarzellen sind typischerweise 100-mal teurer als die auf der Erde weit verbreiteten Solarzellen und -module“, stellt Caltech fest.

„Das liegt daran, dass ihre Herstellung einen teuren Schritt namens epitaktisches Wachstum erfordert, bei dem kristalline Filme in einer bestimmten Ausrichtung auf einem Substrat gezüchtet werden“, fügen sie hinzu.

Um dieses Problem zu umgehen, setzte das SSPD-Team Prozesse ein, die denen bei der Herstellung herkömmlicher Solarzellen ähneln. „Diese Prozesse nutzen Hochleistungs-Verbindungshalbleitermaterialien wie Galliumarsenid“, stellt Caltech fest.

Was ist mit den Perowskit-Solarzellen?

Ja, was ist mit ihnen? Galliumarsenid-Solarzellen sind nicht besonders billig, haben sich aber für Weltraumanwendungen als langlebig erwiesen, und das SSPD-Team hat bereits damit begonnen, nach Möglichkeiten zu suchen, die Kosten zu senken.

Perowskit-Solarzellen könnten noch mehr Einsparungen ermöglichen, und das Team stellt außerdem fest, dass die Perowskit-Technologie in Form von großformatigen, flexiblen Polymerfolien eingesetzt werden könnte.

Die Leistung im Weltraum bleibt jedoch eine offene Frage.

Die kostengünstigen Galliumarsenid-Solarzellen in SSPD-1 funktionierten bei Sonneneruptionen und anderen Weltraumwetterereignissen konstant, die Perowskit-Solarzellen zeigten jedoch eine „enorme Variabilität“ als Reaktion auf die gleichen Bedingungen.

Die nächsten Schritte umfassen die Herstellung und Erprobung vergrößerter Versionen und den Einsatz „hoch skalierbarer, kostengünstiger Herstellungsmethoden, die sowohl die Masse als auch die Kosten dieser Weltraumsolarzellen drastisch reduzieren können“.

Perowskite ins Weltraumsolar: Wie gefällt dir ich jetzt?

Es ist noch nicht bekannt, ob Perowskit-Solarzellen weiterhin am SSPD-Weltraumsolarprojekt beteiligt sein werden oder nicht. Allerdings haben die geringen Kosten und die Flexibilität von Perowskit-Solarzellen Innovatoren dazu motiviert, weiterhin einige Lücken in der Technologie zu schließen.

Im vergangenen Mai berichtete die NASA beispielsweise über die Ergebnisse eines zehnmonatigen Tests von Perowskit-Solarzellen auf der Internationalen Raumstation. Allerdings kein Weltraum-Solarprojekt an sichDer Test ergab, dass Perowskite haltbar genug sein könnten Operationen auf dem Mond und darüber hinaus.

Das Flugmuster wurde bereits im Jahr 2019 hergestellt und auf Sicherheit getestet. Im Jahr 2020 wurde es zur ISS transportiert und im Jahr 2021 zur Erde zurückgebracht, wo es einer Reihe von Bewertungen unterzogen wurde.

„Viele Menschen bezweifelten, dass diese Materialien jemals stark genug sein könnten, um den rauen Umgebungsbedingungen im Weltraum standzuhalten“, sagte NASA-Forschungsingenieurin Dr. Lyndsey McMillon-Brown.

„Sie überleben nicht nur, sondern gedeihen in gewisser Weise auch“, fügt sie hinzu. „Ich liebe es, über die Anwendungen unserer Forschung nachzudenken und darüber, dass wir in der Lage sein werden, den Energiebedarf von Missionen zu decken, die mit aktuellen Solartechnologien nicht realisierbar sind.“

Das ist angesichts der Flut neuer Forschungsaktivitäten, die in den Jahren seit 2019 zu einer Verbesserung der Perowskit-Haltbarkeit geführt haben, von Interesse. Auch neue Forschungsmethoden beginnen, das Tempo des Fortschritts zu beschleunigen.

Anfang des Monats berichtete beispielsweise die University of Michigan darüber eine neue Methode zur Beurteilung wie verschiedene Additive die Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen verbessern können. Die additive Optimierung ist ein Grundpfeiler der Perowskit-Solarzellenforschung, ein Verständnis des genauen Mechanismus ist jedoch bisher unklar.

Die Forschung umfasste die Formulierung neuer Moleküle mit sorgfältig kontrollierten Koordinationszahlen, die sich auf die Atome, Ionen oder Moleküle in einer Verbindung oder einem Kristall beziehen. Molekulargewicht und sterische Hinderung (eine Verlangsamung chemischer Reaktionen) wurden ebenfalls berücksichtigt.

Alle Details finden Sie im Journal Gegenstand unter dem Titel „Molekulares Design von Defektpassivatoren für thermisch stabile Metallhalogenid-Perowskitfilme.“

„Wir haben herausgefunden, dass eine sorgfältige Abstimmung dieser Faktoren zu einer optimierten Bindungsaffinität mit Perowskiten führen kann, was gleichzeitig die Korngröße, Defektpassivierung und thermische Stabilität von Perowskitfilmen verbessert“, berichtete das Team. Diese innovative molekulare Designstrategie markiert einen transformativen Schritt hin zur Entwicklung robusterer und effizienterer Perowskit-Photovoltaik.

Wir müssen abwarten, ob es eine Weltraum-Solaranwendung gibt, also bleiben Sie dran, um mehr darüber zu erfahren.

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Bild (Screenshot): Ein drahtloser Sender strahlt Weltraum-Solarenergie schließlich auf die Erde bringen (mit freundlicher Genehmigung von CalTech).