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利用原始風(fēng)化層在月球上制造太陽能電池的模擬圖。圖中機(jī)器人負(fù)責(zé)獲取原始風(fēng)化層并將其運(yùn)送到生產(chǎn)設(shè)施，安裝生產(chǎn)后的太陽能電池可為未來月球棲息地甚至城市供電。
在最新一期《設(shè)備》雜志發(fā)表的研究中，德國波茨坦大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了他們模擬月球塵埃制造出一種新型太陽能電池。這項(xiàng)創(chuàng)新為太空探索中的能源供應(yīng)問題提供解決方案，特別是考慮到將重型材料送入太空的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，用于太空任務(wù)的太陽能電池效率極高，可達(dá)30%到40%，但其高昂的成本和重量限制了它們的應(yīng)用。新研究目標(biāo)是通過使用月球表面松散的巖石碎片（即月球風(fēng)化層）制成的玻璃來替代地球制造的覆蓋物，從而減輕航天器的發(fā)射質(zhì)量和運(yùn)輸成本。據(jù)估計(jì)，僅此一項(xiàng)改變就能使航天器的發(fā)射成本劇降，這極大地提升了長(zhǎng)期月球定居的可能性。
團(tuán)隊(duì)首先熔化了一種模擬月球塵埃的物質(zhì)，制成了所謂的“月玻璃”，并用它與鈣鈦礦結(jié)合制作出了太陽能電池。鈣鈦礦因其低廉的成本、易于制造以及高效的光電轉(zhuǎn)換能力而被選用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種新方法每輸送一克材料到太空所產(chǎn)生能量是傳統(tǒng)太陽能電池板的100倍。
此外，當(dāng)受到太空級(jí)別的輻射照射時(shí)，“月玻璃”太陽能電池表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)地球制造的版本。標(biāo)準(zhǔn)玻璃在太空中會(huì)逐漸變黃，導(dǎo)致陽光透過率下降和效率降低，而“月玻璃”因其中的雜質(zhì)呈現(xiàn)自然棕色，能夠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，防止進(jìn)一步暗化，并增強(qiáng)對(duì)輻射的抵抗力。
研究還表明，制造“月玻璃”的過程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需集中太陽光即可達(dá)到將月球風(fēng)化層熔化成玻璃所需的高溫，無需復(fù)雜的凈化過程。通過調(diào)整“月玻璃”厚度及優(yōu)化太陽能電池成分，已實(shí)現(xiàn)了10%的轉(zhuǎn)換效率，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為如果能提高“月玻璃”的透明度，效率可提升至23%。
這項(xiàng)研究標(biāo)志著在開發(fā)可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)有效的太空能源解決方案方面邁出了重要一步。
相比將太陽能電池從地球運(yùn)送到遙遠(yuǎn)的月球，直接利用月球塵埃制造太陽能電池可謂“就地取材”，極大地降低了運(yùn)輸成本。設(shè)想一下，人類可以先在月球上采集塵埃、巖石等物質(zhì)，提純出太陽能電池所需的原材料。然后再利用3D打印技術(shù)批量生產(chǎn)太陽能電池，從而為宇航員和月球探測(cè)設(shè)備提供長(zhǎng)期能源和動(dòng)力。在遙遠(yuǎn)的未來，若人類建立月球基地，這樣的太陽能電池也可以成為太空電力的重要來源，保障月球基地正常運(yùn)轉(zhuǎn)。