Что уже есть на Луне для создания солнечных панелей

Маск анонсировал проект орбитальных ИИ-дата-центров под скромным названием AI Sat Mini. Заявленная цель — вывод 100 ГВт компьюта (вычислительной мощности) в год, что потребует вывода на орбиту тысяч тяжелых спутников. Это крайне затратный процесс, поэтому предлагается перенести сборку на Луну и отправлять аппараты на орбиту с помощью электромагнитной катапульты: низкая гравитация и отсутствие атмосферы кратно упрощают запуск.

Однако производство современных чипов на Луне невозможно. Нанолитография требует сверхчистых стерильных сред, бесперебойных поставок редких химических реагентов и колоссальных объемов очищенной воды. Производственная цепочка распределена по миру и жизнеспособна только когда миллиардный глобальный спрос окупает триллионные затраты на полупроводниковые фабрики. Попытка перенести процесс на Луну приведет к экономическому коллапсу.

Однако для всей идеи это не приговор. Да, вычислительные чипы важны, но они составляют малую часть от общей массы. Основной вес аппарата приходится на силовые каркасы, радиаторы охлаждения и солнечные панели. Их конструкция относительно проста, а значит, плавить лунный реголит для отливки корпусов и раскатывать подложки панелей можно прямо на месте, доставляя остальные компоненты с Земли для финальной сборки.

Здесь возникает главный вопрос: насколько вообще реалистичен такой подход и есть ли в нем практический смысл, если разделить производство на лунную и земную части?

Этому вопросу и посвящен цикл статей. В нем мы последовательно разберем ключевые узлы спутниковой платформы. Начнем с солнечных панелей — основного источника энергии. Затем рассмотрим радиаторы охлаждения, силовой корпус, гиродины для ориентации, двигательную установку и другие системы.

Вопросы самого производства пока оставляем за скобками — сосредоточимся на том, что именно нужно для ИИ-спутника, какие можно использовать лунные ресурсы для его производства и с какими проблемами он может столкнуться.

Как устроен фотоэлемент

Одним из важных факторов, влияющих на характеристики фотоэлемента является его строение (разнится в зависимости от выбранного полупроводника):

1. Монокристаллический кремний — самый тяжелый из всех. Из-за структуры его кристаллической решетки фотону сложно выбить из нее электрон, то есть для успешного протекания процесса материал должен иметь значительную толщину – около 100 мкм. Это означает массу ~230 г/м², однако есть и положительная сторона: его кристаллическая решетка обеспечивает беспрепятственное движение электронов. Как следствие: эффективность 20–24%.

2. Поликристаллический кремний — близнец прошлого типа, но состоит не из одного кристалла, а из множества соединенных друг с другом, что означает неравномерную кристаллическую решетку. Это мешает прохождению электронов и снижает КПД до 13–18%.

3. Аморфный кремний — не имеет кристаллической решетки, что снижает эффективность до 6–11%. Однако по причине особой структуры фотону значительно проще выбить электрон — требуемая толщина фотоэлемента снижается до 1 мкм. Это делает данный тип полупроводника более легким (2,5 г/м²).

4. Арсенид галлия — у него упорядоченная кристаллическая решетка, но ее структура не мешает фотону выбить электрон, вследствие чего без потери эффективности этот материал может работать с минимальной толщиной в 1–3 мкм (5–15 г/м²). Его эффективность около 28–32%.

5. Многопереходный фотоэлемент — в данном случае комбинируется несколько полупроводников (например, фосфид индия галлия, арсенид галлия, германиевая подложка), каждый из которых эффективно поглощает свою часть спектра солнечного света. Это становится возможным за счет малой толщины слоев. Эффективность таких фотоэлементов достигает 34–35% при массе 27–50 г/м².

Так как сам по себе фотоэлемент отражает значительную часть полезного света (~30%), на него наносят антибликовое покрытие. Его толщина измеряется нанометрами, масса — долями грамма, а итоговый процент отраженного света снижается до 1–1,5%.

Лицевой контакт, наоборот, затеняет фотоэлемент, снижая эффективность. По этой причине у особо эффективных типов панелей ее делают из материалов с наименьшим сопротивлением (серебро и золото), чтобы сделать наиболее тонкую сетку, минимально затеняющую фотоэлемент. Так как такие материалы более плотные, чем некоторые аналоги (алюминий, графит), то масса увеличивается с ~1г/м² до 3,9–4,6 г/м².

Замена же сетки проводящими прозрачными оксидами нецелесообразна из-за их высокого удельного сопротивления (большие потери КПД и перегрев). Но можно использовать их как промежуточный слой для сбора заряда по всей площади панели. В таком случае требования к проводящей сетке упрощаются (можно уменьшить ее плотность, увеличив эффективность сбора заряда).

Наконец, тыльный контакт делают сплошным, его масса обычно от 40 до 80 г/м², причем диапазон 50–80 относится к алюминию в связи с высокой толщиной слоя (издержки технологии нанесения). Золотой слой намного тоньше, а значит и легче (~40 г/м²).

От чего и как защищают солнечные панели

С какими проблемами сталкивается панель на спутнике

Космос — крайне агрессивная среда, в которой солнечным панелям для стабильной работы необходима защита. Иначе следующие факторы могут стать для фотоэлемента фатальными:

1. Абразивная космическая пыль.

2. Радиация и жесткий ультрафиолет, которые разрушают структуру фотоэлемента.

3. Электростатика, приводящая к дуговым пробоям.

4. Микрометеориты, летающие на скоростях около 10 км/с.

5. Перегрев — с повышением температуры эффективность фотоэлементов падает.

Как устроено защитное стекло и какие функции выполняет

От космической пыли панель защищает закаленное стекло. Для уменьшения массы в космонавтике иногда применяют стекла толщиной менее 100 мкм. Однако, по данным исследований, при 100 мкм ежегодные потери мощности составляют ~0,6%, тогда как при увеличении толщины до 150 мкм деградация снижается до 0,1–0,2% в год (прибавка в 50 мкм снижает потери в 3–6 раз).

Это связано с тем, что частицы космической пыли двигаются на огромных скоростях — от 7 до 20 км/с. При ударе о стекло они создают ударные волны, способные разрушить структуру фотоэлемента. Дополнительные 50 мкм стекла гасят и рассеивают эту волну до того, как она достигнет полупроводника. Тем самым мы существенно снижаем риск повреждений, сохраняя низкую удельную массу защиты — всего 265–400 г/м².

С радиацией ситуация похожа: один микрометр толщины защитного стекла позволяет остановить частицы с энергией около 80–90 КэВ. 100 мкм останавливает уже 3,4 МэВ, а 150 мкм — 4,4 МэВ. Это основная часть потока протонов. Дальнейшее увеличение толщины является менее эффективным, а против более легких частиц — электронов, оно и вовсе бесполезно из-за их большой проникающей способности.

Также на радиационную защиту влияет тип и толщина фотоэлемента. Арсенид-галлиевые полупроводники за счет своей структуры более устойчивые, чем моно- и поликристаллические кремниевые. 

У аморфного кремния изначально нет кристаллической решетки — высокоэнергетическим частицам там нечего разрушать, что делает этот тип устойчивее кремниевых аналогов. Также фотоэлементу из аморфного кремния, как и из арсенида галлия помогает его толщина: чем она меньше, тем меньше и вероятность, что высокоэнергетическая частица не пролетит насквозь, а “зацепится” за структуру, разрушая ее.

Возвращаясь к защитному стеклу, у него есть проблема: жесткий ультрафиолет выбивает электроны из его структуры, создавая “центры окраски”. Стекло мутнеет и перестает пропускать свет. Для предотвращения проблемы в стекло добавляют диоксид церия (~1-3% массы стекла). Его атомы работают как ловушки для свободных электронов, не позволяя стеклу терять прозрачность.

Альтернативой церию можно назвать алюминий (1–5% массы). Он работает иначе, изначально делая структуру более стабильной, не позволяя УФ выбивать электроны. Из-за разных механизмов работы и значительно меньшей эффективности его обычно используют вместе с церием, но в случае внеземного производства он получает преимущество как самостоятельная добавка — алюминий распространен за пределами Земли, а значит не нужен импорт.

Соединяется стекло и фотоэлемент с помощью силиконового клея. Этот слой довольно толстый, около 100–150 мкм, что влечет за собой высокую массу 100–170 г/м².

Обусловлено это тем, что помимо соединения клей также выполняет роль демпфера для защиты хрупкого стекла от механических нагрузок при запуске ракеты, ударов частиц космической пыли, температурного расширения. Вместе с тем он заполняет любые неровности стекла, обеспечивая максимальную прозрачность.

Но у клея есть уязвимость — он разрушается под воздействием УФ. Как со стеклом сделать его более устойчивым не получится. Потому на обратную сторону стекла перед склеиванием напыляют интерференционный фильтр, который пропускает рабочую часть спектра, а УФ отражает. 

Другая проблема внешней поверхности стекла — высокоэнергетические частицы, которые непрерывно бомбардируют ее. И поскольку стекло — диэлектрик, попавший на него заряд не может перемещаться и накапливается на поверхности. Разность потенциалов между заряженной поверхностью стекла и проводящими подложками самого фотоэлемента начинает расти. Если этот потенциал не отводить, произойдет дуговой пробой сквозь защиту, разрушающий структуру полупроводника.

Для решения проблемы на поверхность наносят проводящее покрытие. Собранный им заряд либо рассеивается в космос за счет автоэлектронной эмиссии, либо используется для выравнивания потенциалов всей системы через заземление корпусных элементов на минус бортовой сети спутника.

По итогу суммарно масса слоев защиты от УФ и статики исчисляется несколькими граммами на квадратный метр.

Как байпасные диоды помогают против микрометеоритов

В отличие от всех предыдущих факторов, от удара микрометеоритом защититься нельзя. Можно лишь снизить вероятность удара, уменьшив площадь панели за счет высокого КПД, и ограничить последствия, разделив панель на независимые ячейки. Для этого используют байпасные диоды. Пока все ячейки исправны, ток идет по цепи. При повреждении одной ячейки сопротивление на ней растет, диод открывается и пускает ток в обход. Панель теряет только один фрагмент, но продолжает работать. 

Диоды делают из кремния, каждый весит около 30 мг. Их ставят в углах ячеек, где они меньше всего мешают улавливать свет. Можно ставить диод на каждую ячейку, обеспечивая высокую надежность, либо же на цепь из ячеек, экономя массу.

Можно избежать монтажа диодов на фотоэлемент и снизить массу, интегрировав их непосредственно в структуру полупроводника при производстве. Это возможно при производстве методом осаждения из газовой фазы, когда полупроводник напыляется на подложку слой за слоем.

Как температура влияет на работу фотоэлемента

Эффективность солнечных батарей на базе полупроводников уменьшается с каждым градусом нагрева — колебания частиц в структуре мешают прохождению электронов. Однако если у кремния этот температурный коэффициент потери мощности составляет 0,4% на 1°C, то у арсенида галлия — всего 0,15% на 1°C. Это еще одно его преимущество наряду с живучестью и производительностью.

Для предотвращения перегрева панели под прямыми солнечными лучами, можно использовать ее тыльную сторону для охлаждения.

Часто для этого используются специальные органосиликатные эмали с высоким коэффициентом излучения в ИК спектре (~200 г/м²). Однако у них есть ряд недостатков: выделение газов связующими веществами, радиационная деградация, а также редкость необходимых компонентов.

Как альтернативу можно использовать анодированный алюминий. Его эмиссионность немного ниже, но она может быть достаточной. Такое решение может уменьшить массу, сделать конструкцию проще и убрать необходимость импорта. Однако этот вариант применим только если алюминий изначально является одним из основных материалов корпуса.

Как устроен корпус солнечных панелей

Больше суммы всех предыдущих элементов на массу солнечной панели влияет ее корпус.

Это значит, что использование алюминия как материала корпуса оправданно: он легкий и распространен за пределами Земли. Также для усиления можно использовать титановые ребра жесткости в ответственных местах, в нашем случае этот материал имеет те же преимущества. Тогда масса корпуса получается около 2,5 кг/м².

Есть и более легкий вариант — из углепластика (1,7–2 кг/м²). Но он имеет следующие недостатки:

1. Его изготовление возможно только из Земных материалов.

2. В зависимости от марки композита может быть нужно нанесение излучающих покрытий, хотя карбон может обладать хорошим естественным коэффициентом излучения.

3. Есть проблема испарения летучих фракций из полимеров композита, которые, как и у покрытий, после оседают на стекле и снижают прозрачность (КПД панели).

Какой фотоэлемент оптимален для Луны

По части выживаемости и эффективности в космосе солнечные панели на основе арсенида галлия превосходят кремниевые аналоги, но за это необходимо платить значительно более высокой стоимостью и хрупкостью. А в случае с неземным производством и вовсе преимущества арсенида галлия нивелируются невозможностью добычи таких редких элементов, как галлий и мышьяк. В случае с многопереходными ячейками становятся необходимыми еще индий и германий.

Сколько весит солнечная панель

Давайте посчитаем соотношение местных (in situ) и импортируемых ресурсов, необходимых для производства панелей различных типов на Луне. Отталкиваться будем от заявленной мощности SpaceX AI Sat Mini — 100 кВт.

Для расчета мощности панели используем формулу:

где:
A – площадь панели в м², 
G_☉ – солнечная постоянная (1361 Вт/м²), 
η – КПД в долях от 1.

Масса слоя выражается как:

где:
ρ – плотность материала в кг/м², 
t – толщина слоя в м, 
A – площадь панели.

Найдя мощность и подставив во вторую формулу получим:

Массу панели можно получить, просуммировав массу всех слоев:

Теперь мы можем решать это уравнение для различных типов фотоэлементов и состава слоев панели. Важно учитывать следующее:

- КПД зависит в первую очередь от типа фотоэлемента (монокристаллический кремний, поликремний, тонкопленочный и т.д.);

- Некоторые варианты материалов для слоев взаимосвязаны друг с другом (например, анодированный алюминий для охлаждения с алюминиевым корпусом), другие же можно комбинировать произвольно.

- Соотношение импортных и in-situ ресурсов разнится для разных материалов – некоторые можно производить на месте целиком (алюминиево-титановый корпус, алюминиевый тыльный контакт), некоторые – частично (кремний и стекло, требующие легирующие добавки), некоторые можно только импортировать (серебро для сетки, оксид индия-олова, диоксид магния-гафния, силиконовый клей);

- Свойства материалов слоя, в свою очередь, влияют на КПД всей сборки (прозрачность покрытий, потери на контактах, деградация фильтров).

Учитывая все вышесказанное, соотношение материалов (in situ к импорту) варьируется в широком диапазоне:

• от 91,3% против 8,7% (1139,53 кг и 108,5 кг соответственно) — для монокристаллического кремния с минимальным слоем клея;

• 85,9% против 14,1% (724,48 кг и 119 кг соответственно) — для легких тонкопленочных панелей;

• до 18% против 82% (318,27 кг и 1445,08 кг соответственно) — для панелей на основе аморфного кремния с карбоновым корпусом. 

Мы сделали интерактивную версией модели, с которой можно поиграть тут.