За последние годы технология солнечных панелей значительно продвинулась до такой степени, что солнечная энергия стала самым быстрорастущим возобновляемым источником энергии. Солнечные панели, которые мы имеем сегодня, являются побочным продуктом тех, которые используются в космосе. Если вы хотите обеспечить энергией спутник или пилотируемый космический корабль, есть только два способа: солнечная энергия или ядерная энергия. Из двух только солнечная энергия не ограничена количеством топлива, которое вы берете на борт. Когда мы размышляем о путешествии к другим звездным системам, возникает вопрос: будут ли солнечные панели работать вблизи других звезд?
Солнечные панели генерируют электрическое напряжение посредством так называемого фотоэлектрического эффекта. Эффект был впервые обнаружен в 1800-х годах, когда ученые заметили, что заряженные металлические планеты могут выделять электроны под воздействием ультрафиолетового света. Это привело к открытию, что свет состоит из квантовых частиц, известных как фотоны. Вскоре после этого появилось несколько примеров использования этого эффекта для выработки электроэнергии, но первые настоящие солнечные элементы появились только в середине 1900-х годов.
С тех пор исследования были сосредоточены на том, чтобы сделать солнечные элементы легче, дешевле и эффективнее. Современные солнечные панели могут использовать не только ультрафиолетовый свет, но и видимый, а в некоторых случаях и инфракрасный. Но все эти конструкции созданы для использования Солнца, которое излучает большую часть своего света в зеленом диапазоне и излучает много ультрафиолетового света. Но большинство экзопланет вращаются вокруг красных карликов, максимальная яркость которых приходится на красный или инфракрасный диапазон и излучают мало ультрафиолета. Если мы хотим посетить близлежащие планетные системы, такие как система Проксима Центавра, нам понадобятся солнечные панели, способные использовать свет звезд красных карликов.
Это тема недавнего исследования в Научные отчеты. Авторы рассматривают эффективность солнечных панелей в различных звездных спектрах, в частности, сравнивая Солнце и Проксиму Центавра. Их исследование сосредоточено на органических фотоэлектрических элементах (OPV), которые одновременно легкие и гибкие. Это позволит использовать солнечные панели в больших солнечных парусах, которые являются обычным элементом конструкции первых межзвездных зондов.
OPV — молодая технология, но у них есть преимущество перед более распространенными кремниевыми элементами, поскольку их можно настроить на разные длины волн. Эффективность солнечного элемента и длины волн, от которых он получает наибольшую энергию, основаны на так называемой запрещенной зоне. По сути, электроны, связанные с материалом клетки, должны захватывать достаточно энергии от фотонов, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону в зону проводимости, где они затем могут течь в виде электрического тока. Используя различные органические материалы, мы можем отрегулировать ширину запрещенной зоны так, чтобы она наилучшим образом соответствовала имеющемуся свету.
Команда обнаружила, что, хотя более широкая запрещенная зона хорошо подходит для солнечного света, для света Проксимы Центавра потребуется узкая запрещенная зона. Например, смоделированный солнечный элемент с широкой запрещенной зоной имеет теоретическую эффективность 18,9% для солнечного света, но только 0,9% для Проксимы Центавра. Напротив, модель с узкой запрещенной зоной имеет теоретическую эффективность 12,6% для Проксимы Центавра.
Таким образом, солнечные панели могут генерировать электроэнергию из красных карликов. Но остается один существенный недостаток. Поскольку красные карлики производят гораздо меньше света, чем Солнце, даже при хорошей эффективности отдельные солнечные элементы не смогут производить почти то количество энергии, которое мы можем получить от Солнца. Межзвездные солнечные панели должны быть значительно больше, что значительно увеличит их вес и стоимость. Но это возможно, и дальнейшие исследования материалов могут найти еще более эффективные методы получения электричества из света.
Ссылка: Шопп, Нора и др. «Межзвездная фотоэлектрическая энергия». Научные отчеты 13.1 (2023): 16114.
