Daugiau energijos, mažiau svorio: KTU mokslininkų kuriama technologija – palydovams kosmose

Palydovai mažėja, tačiau jų galimybės – ir energijos poreikis – auga. Į orbitą kylant vis daugiau mažųjų palydovų, juose diegiami vis galingesni jutikliai, ryšio ir duomenų apdorojimo sistemos, tačiau viena sąlyga nesikeičia – kosmose kiekvienas papildomas gramas turi savo kainą. Tad kaip palydovui suteikti daugiau energijos nedidinant jo masės?

Atsakymo į šį klausimą ieško Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkų įkurtas startuolis „SantakaPV“, kuriantis naujos kartos perovskitinius saulės elementus. Itin ploni, lengvi ir lankstūs elementai ateityje galėtų energija aprūpinti ne tik mažuosius palydovus – jų pritaikymo galimybės siekia ir kasdienę elektroniką, kuriai reikalingą energiją iš dalies galėtų suteikti net mus supanti šviesa.

Daugiau energijos – be papildomo svorio

Kosmoso sektoriuje „SantakaPV“ daugiausia dėmesio skiria mažiesiems palydovams – būtent čia komanda mato itin aiškų kuriamos technologijos ir rinkos poreikių atitikimą. Palydovų energijos sistemoms keliami itin aukšti reikalavimai – jos turi būti efektyvios, lengvos, kompaktiškos ir patikimos, o mažųjų palydovų atveju šie reikalavimai ypač aktualūs.

„Kartu mažieji palydovai tampa vis funkcionalesni – juose diegiami galingesni jutikliai, ryšio ir duomenų apdorojimo sistemos, todėl auga energijos poreikis. Tačiau palydovų masė ir tūris išlieka labai riboti. Būtent ši tendencija didina naujos kartos energijos generavimo sistemų poreikį“, – pasakoja ji.

Kuriant saulės elementus palydovams, vien efektyvumo nepakanka – ne mažiau svarbi jų specifinė galia, rodanti, kiek galios sistema generuoja vienam masės kilogramui. „SantakaPV“ kuriami elementai yra itin ploni, lengvi ir lankstūs, tad komanda siekia didelę generuojamą galią suderinti su kuo mažesne mase. Lankstumo potencialas taip pat suteikia galimybę kurti kompaktiškai suskleidžiamus, o orbitoje išskleidžiamus saulės masyvus.

Inovacijų ieško molekuliniu lygmeniu

„SantakaPV“ įmonės vadovas dr. Artiom Magomedov pažymi, kad silicis išlieka dominuojančia ir labai gerai išplėtota saulės energetikos technologija, tačiau perovskitai sulaukia vis daugiau dėmesio dėl itin sparčios technologinės pažangos ir galimybės jų savybes pritaikyti skirtingiems poreikiams. Per palyginti trumpą laiką laboratorinių perovskitinių elementų efektyvumas pasiekė 27 proc., o perovskito ir silicio tandeminiai elementai jau viršijo 35 proc.

„Perovskitus pasirinkome matydami poreikį efektyviems saulės elementams, kuriuos būtų galima pritaikyti ten, kur tradicinių technologijų galimybės yra ribotos. Viena pirmųjų mūsų nagrinėtų krypčių buvo vartotojų elektronika. Vėliau pamatėme, kad perovskitų savybės itin aktualios ir kosmoso sektoriuje“, – pasakoja jis.

KTU mokslininko teigimu, perovskitinė technologija, palyginti su įprastais saulės elementais, suteikia gerokai daugiau lankstumo – tiek tiesiogine, tiek perkeltine prasme. Perovskitiniai elementai gali būti formuojami ant standžių arba lanksčių pagrindų, o keičiant sluoksnius sudarančių medžiagų sudėtį ir įrenginio architektūrą, jų savybes galima optimizuoti skirtingoms veikimo sąlygoms. Todėl perovskitai vertinami ne kaip technologija, turinti visur pakeisti silicį, o kaip galimybė išplėsti saulės energetikos technologijų pritaikymo ribas.

„Plėtodami technologiją nuo pat pradžių galvojame ne tik apie laboratorijoje pasiekiamą efektyvumą, bet ir apie jos integravimą į galutinį produktą bei galimybę ateityje pereiti prie didesnio masto gamybos“, – dalijasi jis.

Keisdama molekulių struktūrą, komanda gali kryptingai valdyti jų savybes ir optimizuoti skirtingų saulės elemento sluoksnių sąveiką. Taip galima gerinti krūvininkų pernašą, mažinti nuostolius ir siekti didesnio įrenginio efektyvumo bei stabilumo.

Technologiją ruošia realioms kosmoso sąlygoms

Saulės elementų pritaikymas kosmosui, pasak D. Krisiūnės, – labai ilgas procesas. Šiuo metu „SantakaPV“ yra technologijos vystymo ir validavimo etape.

Komanda laboratorijoje jau yra sukaupusi reikšmingą patirtį kurdama perovskitinius saulės elementus ir jų funkcines medžiagas, tačiau, siekiant technologiją pritaikyti realioms kosmoso misijoms, dar reikia atlikti nemažai bandymų – nuo atsparumo radiacijai ir kitoms kosmoso sąlygoms iki ilgalaikio stabilumo.

Lygiagrečiai „SantakaPV“ plėtoja ir verslo pusę – šiuo metu komanda dalyvauja Inovacijų agentūros preakceleravimo programoje „Kickstart Lab“, kuri padeda geriau išgryninti verslo modelį, suprasti potencialių klientų poreikius ir pasirengti tolesniam įmonės augimui.

„SantakaPV“ komandą sudaro KTU mokslininkai dr. Artiom Magomedov, dr. Deimantė Krisiūnė ir dr. Kasparas Rakštys bei saulės energetikos pramonės atstovai dr. Julius Denafas ir Paulius Laurikėnas. Žengti iš laboratorijos į verslo aplinką komandai padėjo KTU „Startup Space“, suteikęs verslo plėtrai reikalingų žinių, kontaktų ir prieigą prie platesnės startuolių bei investuotojų ekosistemos.

D.Krisiūnės teigimu, giliųjų technologijų įmonei itin svarbu, kad technologijos vystymas vyktų kartu su rinkos pažinimu, todėl jau šiame etape komanda siekia suprasti būsimų klientų reikalavimus ir pasirengti technologijos kvalifikavimui kosmoso aplinkoje.

„Pirmiesiems technologijos vystymo etapams jau esame užsitikrinę finansavimą, todėl dabar svarbiausias mūsų tikslas – kuo greičiau pereiti prie intensyvių technologijos patikimumo ir atsparumo bandymų. Mūsų požiūris gana paprastas – apie technologijos silpnąsias vietas geriau sužinoti kuo anksčiau. Tuomet turime daugiau laiko jas perprasti ir pašalinti“, – dalijasi ji.

Tolesniuose etapuose „SantakaPV“ planuoja pritraukti išorinį finansavimą ir aktyviai plėsti ryšius su potencialiais klientais bei partneriais Europoje.

Energija – paties produkto funkcija

A. Magomedov teigimu, kosmosas yra tik viena iš galimų šios technologijos pritaikymo sričių. Kaip silicis šiandien naudojamas labai skirtingo dydžio ir paskirties įrenginiuose, taip ir perovskitiniai saulės elementai ateityje gali būti pritaikomi įvairiems produktams, ypač ten, kur svarbus mažas svoris, lankstumas ar gebėjimas efektyviai panaudoti silpnesnę šviesą.

„Viena perspektyviausių krypčių – vartotojų elektronika ir daiktų interneto (IoT) įrenginiai. Perovskitų savybes galima pritaikyti taip, kad jie efektyviai veiktų ne tik saulės šviesoje, bet ir esant patalpų apšvietimui, todėl ateityje nedideli jutikliai, išmanieji įrenginiai ar kita mažos galios elektronika dalį reikalingos energijos galėtų pasigaminti patys. Tai galėtų sumažinti poreikį nuolat keisti ar įkrauti baterijas“, – sako jis.

Jei „SantakaPV“ technologija pasiteisins, jos potencialas būtų pažangius energetikos sprendimus padaryti lengviau prieinamus ir pritaikomus platesniam produktų ratui. Tokių technologijų nauda galėtų atsispindėti ir kasdieniame gyvenime – pažangesnėse Žemės ir orų stebėjimo sistemose, patikimesniame ryšyje ar galimybėje greičiau reaguoti į ekstremalias situacijas.

„Jei mums pavyktų įgyvendinti ambicingiausius tikslus, norėtume prisidėti prie pokyčio, kai energijos generavimas tampa natūralia paties produkto funkcija“, – dalijasi KTU mokslininkas.