Sống khỏe

Nhiệm vụ không gian thử nghiệm pin mặt trời perovskite NREL

Space mission tests NREL perovskite solar cells
Nhà cung cấp hình ảnh: Dennis Schroeder, NREL

Vào một đêm đẹp trời, Kaitlyn VanSant sẽ có thể xem công việc của cô ấy trôi qua. Tuy nhiên, việc biết được thành công của dự án của cô ấy sẽ phải đợi cho đến khi sự bổ sung tạm thời, nhỏ bé của cô ấy cho Trạm Vũ trụ Quốc tế quay trở lại Trái đất.

“Gia đình tôi và tôi chắc chắn đã nhìn vào ban đêm thường xuyên hơn”, VanSant, người đã lấy bằng tiến sĩ từ Trường Mỏ Colorado cho biết năm ngoái. Hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của NASA, VanSant có một cuộc hẹn hợp tác duy nhất tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL).

Sự kết hợp giữa NREL và NASA tiếp tục liên minh lâu dài giữa và không gian. Các tấm quang điện (PV) chuyên dụng quay về phía mặt trời đã được sử dụng để tạo ra điện cho tàu lượn trên sao Hỏa và , nhưng chi phí sản xuất của các pin mặt trời quá cao để sử dụng trên Trái đất. Các nhà nghiên cứu tại NREL đang thử nghiệm các cách để giảm chi phí đó cho các ứng dụng trên mặt đất và chuyển đổi cách công nghệ PV có thể hoạt động trong không gian.

Thử nghiệm mới nhất sẽ đánh giá khả năng sử dụng của tế bào năng lượng mặt trời perovskite trong không gian và đánh giá độ bền của vật liệu được sử dụng trong các ô đó. VanSant đã làm việc với Ahmad Kirmani, Joey Luther, Severin Habisreutinger, Rosie Bramante, Dave Ostrowski, Brian Wieliczka và Bill Nemeth tại NREL để chuẩn bị các tế bào và vật liệu perovskite. Tám trong số các mẫu này được lên kế hoạch phóng lên trạm vũ trụ vào tháng 8 và một bộ 25 mẫu khác sẽ được phóng vào mùa xuân năm 2022. Các mẫu, mỗi mẫu có kích thước một inch vuông, là một phần của Trạm vũ trụ Quốc tế Vật liệu. Chương trình thử nghiệm (MISSE) và sẽ được gắn chặt vào bên ngoài nền tảng quỹ đạo.

Trạm vũ trụ quốc tế (ISS ) phục vụ như một phòng thí nghiệm nghiên cứu trên quỹ đạo và đài quan sát tiến hành trong một loạt các lĩnh vực bao gồm thiên văn học, vật lý và khoa học vật liệu, chỉ là một vài lĩnh vực.

” Ví dụ, chúng tôi phải chứng minh những công nghệ rất non trẻ theo cách mà chúng tôi không đánh lừa mình bằng cách mô phỏng môi trường không gian trên mặt đất trong một buồng chân không “, Timothy Peshek, một kỹ sư điện trong nhóm quang điện tại NASA Glenn Research, cho biết. Trung tâm ở Cleveland và cố vấn sau tiến sĩ của VanSant. “Đây là hoạt động trong thế giới thực.”

Với sự đồng ý đưa các thí nghiệm PV trở lại trạm vũ trụ, Peshek đưa ra lời kêu gọi cho các nhà nghiên cứu có thể muốn tham gia. Adele Tamboli, một nhà nghiên cứu trong nhóm nghiên cứu Vật lý Vật liệu tại NREL, đã hoan nghênh cơ hội và giới thiệu Peshek với VanSant.

Nhà cung cấp hình ảnh: NASA

“Hợp tác với Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia rất có ý nghĩa”, Peshek, bản thân là một cựu tiến sĩ, cho biết nhà nghiên cứu tại NREL. “Họ đã có cơ sở vật chất và khả năng sẵn sàng để đi vào ngày đầu tiên.”

Năng lượng mặt trời trên Trái đất có xu hướng được tạo ra từ các mô-đun silicon. Các công nghệ PV khác, chẳng hạn như các công nghệ được sử dụng trong không gian, dựa trên các vật liệu từ cột III và V của bảng tuần hoàn và được gọi là ô III-V. Các nhà khoa học đã thử nghiệm xếp một tế bào III-V lên trên một lớp silicon để tăng hiệu quả thu nhận ánh sáng mặt trời để chuyển hóa thành điện năng. Bản thân pin mặt trời silicon hiệu quả nhất là khoảng 26%, khi được đo dưới quang phổ mặt trời trên mặt đất điển hình. (Quang phổ mặt trời khác nhau trên Trái đất và trong không gian.)

Tamboli nằm trong nhóm nghiên cứu lập kỷ lục trong 2017 cho tế bào III-V trên silicon, trong đó có một tế bào tiếp giáp ba với hiệu suất 35,9%. Sau đó, cô cùng với VanSant và nhà khoa học Emily Warren đã đề xuất rằng những loại tế bào này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh trong quỹ đạo Trái đất thấp. Trước khi điều đó có thể xảy ra, các tế bào phải được thử nghiệm trong các điều kiện khắc nghiệt của không gian.

Nếu mặt trăng là tình nhân yêu nghiệt, bản thân không gian cũng có thể tàn nhẫn như nhau. Thiết bị chịu sự thay đổi nhiệt độ khắc nghiệt và bị bắn phá bởi . Khi ISS di chuyển về phía sau Trái đất và ra khỏi Mặt trời, nhiệt độ giảm mạnh xuống 250 độ dưới 0 Fahrenheit. Khi ánh sáng mặt trời ló dạng làm nhiệt độ tăng vọt lên 250 độ trên 0.

“Thật là khắc nghiệt,” Peshek nói. Warren nói: “Đó là một môi trường khá tàn bạo.”

“Tác hại của bức xạ là một yếu tố. “Tế bào kỷ lục của chúng tôi là arsenide gali trên silicon, và tế bào mà chúng tôi gửi lên thực sự là gali indium phosphide trên silicon. Đó là bởi vì chúng tôi biết rằng những vật liệu đó sẽ chịu được bức xạ tốt hơn.”

Tàu vũ trụ tái cung cấp hàng hóa của SpaceX mang theo pin mặt trời III-V-on-silicon của NREL lên ISS vào tháng 3 năm 2020. VanSant, người có bằng Tiến sĩ. nghiên cứu tập trung vào các tế bào năng lượng mặt trời song song III-V-on-silicon, đã làm việc với Michelle Young và John Geisz tại NREL để chế tạo tế bào nguyên mẫu cho dự án MISSE và xem một buổi phát sóng về vụ phóng tên lửa mang nó vào không gian.

Space mission tests NREL perovskite solar cells
Mẫu perovskite này ở pha tinh thể trung gian và sắp được đặt trên bếp điện để kết tinh hoàn toàn. Nhà cung cấp: Dennis Schroeder, NREL

“Tôi đã xem nó với hai con gái của tôi,” VanSant nói. “Họ thực sự bị kích thích bởi nó. Ý tôi là, bạn không thể thực sự xem một vụ phóng vào không gian mà không hoàn toàn bị cuốn hút. Không ai có thể báng bổ về một vụ phóng vào không gian.”

Nguyên mẫu đã trải qua 10 tháng gắn bên ngoài ISS trước khi được đưa trở lại Trái đất vào tháng 1.

“Phân tích sau chuyến bay của tế bào cho chúng tôi cơ hội để nghiên cứu cách chúng tôi muốn phát triển thiết kế và cải thiện nó về hiệu suất và xem liệu điều này có thực tế không một công nghệ cung cấp năng lượng trong không gian, “VanSant nói.

Bây giờ cô ấy đang chơi trò chơi chờ đợi năng lượng mặt trời perovskite tế bào và vật liệu, dự kiến ​​sẽ dành sáu tháng trên ISS. Quá trình này không phải là một cú sút thẳng vào không gian. Sau NREL, các tế bào được chuyển đến Alphaspace, một công ty ở Houston, nơi chuẩn bị các mẫu để vận hành trên nền tảng MISSE và sắp xếp việc phóng thử nghiệm trên chuyến bay SpaceX.

Các tế bào năng lượng mặt trời Perovskite được phát triển bằng cách sử dụng hỗn hợp các chất hóa học, và đáng chú ý là có sự cải thiện nhanh chóng về mức độ hiệu quả mà chúng có thể khai thác ánh sáng mặt trời để làm năng lượng. Thử nghiệm đang diễn ra liên quan đến việc chuẩn bị các tế bào perovskite để sử dụng cho mục đích thương mại. Các tế bào perovskite ban đầu bị thoái hóa quá nhanh. Peshek nói: “Đã có nhiều tiến bộ nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm. “bởi vì những tế bào này nổi tiếng là có các vấn đề về suy thoái. Nhưng lý do chúng suy thoái là do độ ẩm và oxy. Chúng ta không phải lo lắng về điều đó trong không gian.” Joseph Luther, một nhà khoa học cấp cao tại NREL, đồng cố vấn của dự án, cho biết các thí nghiệm trên Trái đất được tiến hành trong các cơ sở thử nghiệm bức xạ chứng minh các tế bào năng lượng mặt trời perovskite có khả năng chịu bức xạ một cách đáng kinh ngạc. một chuyên gia trong công nghệ perovskite. “Chúng rất mỏng, và điều đó giúp ích rất nhiều. Hầu hết bức xạ chỉ đi qua chúng. Silicon, so với perovskites, dày hơn hàng trăm lần. Nó cũng rất rẻ do quy mô sản xuất và rất tuyệt vời đối với PV trên mặt đất ứng dụng, nhưng trong không gian, nó dày đến mức khi bức xạ đi vào bề mặt, nó sẽ bị hấp thụ và làm hỏng tế bào, gây ra các vấn đề. “

Tín dụng: Quốc Năng lượng tái tạo Phòng thí nghiệm

Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite nhẹ sẽ phù hợp với sứ mệnh đang diễn ra của NASA là giảm giá cho việc đặt trọng tải vào quỹ đạo, từ khoảng 10.000 đô la một pound ngày nay lên hàng trăm đô la một pound trong vòng một phần tư thế kỷ.

“Chúng tôi ‘rất quan tâm đến việc cố gắng phù hợp với hiệu quả của pin mặt trời III-V, nhưng hãy làm điều đó trong một thiết kế tế bào cực kỳ nhẹ, “Luther nói. “Perovskites có thể được lắng đọng trên nhựa hoặc lá kim loại và những thứ tương tự, tương đối nhẹ.”

Hiệu quả của các tế bào năng lượng mặt trời đã được đo trước khi rời NREL và sẽ được đo lại khi chúng quay trở lại. Cả tế bào và vật liệu thành phần của tế bào cũng sẽ được đặc trưng trước và sau khi bay, với chuyên môn hình ảnh do Steve Johnston cung cấp. Các tế bào perovskite và vật liệu sống sót sau chuyến đi của chúng tốt như thế nào sẽ được rõ ràng ngay lập tức. Lyndsey McMillon-Brown, một kỹ sư nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA và là nhà điều tra chính về nỗ lực hợp tác với Peshek trong việc đưa perovskites vào không gian, cho biết sự thay đổi màu sắc cung cấp manh mối đầu tiên.

“Pha mong muốn đối với pin mặt trời perovskite là pha đen”, cô nói. “Phim có màu đen tuyền. Tuy nhiên, khi những thứ này xuống cấp, chúng chuyển thành màu mù tạt vàng. Vì vậy, chúng tôi hy vọng sẽ được xem những bộ phim đen khi chúng trở lại.”

Các bài học kinh nghiệm từ thời gian các perovskite sống trong không gian có thể giúp ích nhiều cho công nghệ này. McMillon-Brown cho biết: “Một số điều mà chúng ta phải đối mặt trong không gian là cực đoan, chẳng hạn như nhiệt độ khắc nghiệt, tiếp xúc với tia cực tím, nhưng khi bạn ở đây trên Trái đất, bạn vẫn tiếp xúc với tia cực tím và bạn vẫn có chu kỳ nhiệt độ,” McMillon-Brown nói. “Nó không nhanh và thường xuyên như vậy. Chúng tôi vẫn nghĩ rằng những bài học kinh nghiệm và những phát hiện của chúng tôi sẽ áp dụng và giúp làm cho perovskites trở nên dễ tiếp thị hơn và giành được thị phần thương mại lớn hơn ở đây trên Trái đất.”

Trong khi chờ đợi sự trở lại của mẫu, VanSant nhận được lời nhắc thường xuyên về công việc đang diễn ra. Cô ấy đã đăng ký nhận thông báo bằng văn bản về thời điểm ISS hiển thị trên đầu. Khi đến thời điểm thích hợp và hai con gái 7 và 9 tuổi của cô đã thức dậy, họ cố gắng phát hiện

“Ngoài việc xem ISS lướt qua trên bầu trời đêm, chúng tôi cũng đã xem các cảnh quay video của NASA từ các camera bên ngoài ISS cho thấy Trái đất đi ngang qua như quỹ đạo của ISS, “VanSant nói. “Việc phóng những tế bào này là một lời nhắc nhở tuyệt vời để nhìn lên bầu trời đêm, nhưng cũng là một cơ hội để nhìn mọi thứ từ một góc độ hoàn toàn khác.”



Trích dẫn : Sứ mệnh không gian kiểm tra pin mặt trời perovskite NREL (2021, ngày 30 tháng 8) được truy xuất ngày 30 tháng 8 năm 2021 từ https://phys.org/news/2021-08-space-mission -nrel-perovskite-solar.html

Tài liệu này có bản quyền. Ngoài bất kỳ giao dịch công bằng nào cho mục đích học tập hoặc nghiên cứu tư nhân, không có phần nào được sao chép mà không có sự cho phép bằng văn bản. Nội dung được cung cấp chỉ phục vụ cho mục đích thông tin.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button