Pin mặt trời kính siêu mỏng - Công nghệ cách mạng cho vệ tinh tương lai

Phát triển công nghệ mô phỏng theo dõi 24.000 electron 'nhảy múa' theo thời gian thực

Hiện chưa có quốc gia nào coi pin mặt trời là chất thải nguy hại

Siêu máy tính mô phỏng lỗ đen 'xé toạc' sao neutron

Vật liệu quang điện CdTe có độ đồng đều cao được lắng đọng bằng phương pháp MOCVD đầu phun liên kết gần. Ảnh: TS. Dan Lamb

Trong cuộc đua chinh phục không gian, năng lượng luôn là thách thức lớn nhất. Các vệ tinh hiện tại phải mang theo pin mặt trời nặng nề, đắt tiền và dễ hỏng hóc dưới tác động của bức xạ vũ trụ. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu từ hai đại học hàng đầu nước Anh đã tìm ra giải pháp đột phá: pin mặt trời cadmium telluride (CdTe) được chế tạo trên kính siêu mỏng.

Công nghệ mới này hứa hẹn thay đổi hoàn toàn cách thức cung cấp năng lượng cho các nhiệm vụ không gian. Thay vì sử dụng pin silicon cồng kềnh hoặc pin đa tiếp giáp phức tạp, các kỹ sư có thể trang bị cho vệ tinh những tấm pin nhẹ như lông vũ nhưng mạnh mẽ hơn nhiều lần.

Đột phá từ hai đại học Anh

Nhóm nghiên cứu từ đại học Loughborough và Swansea đã chứng minh pin CdTe-trên-kính của họ đạt hiệu suất 23,1% trên Trái đất và nhắm tới mục tiêu 20% trong môi trường không gian khắc nghiệt. Con số này tuy thấp hơn pin đa tiếp giáp truyền thống, nhưng lại mang đến những ưu điểm vượt trội về trọng lượng và chi phí.

Giáo sư Paul Meredith, Giám đốc Trung tâm Vật liệu Bán dẫn Tích hợp tại Đại học Swansea, giải thích công nghệ này mang lại công suất riêng cao hơn, tuổi thọ phục vụ lâu hơn trong không gian và chi phí thấp hơn nhiều. Đây chính là những yếu tố quyết định thành công của thế hệ nhiệm vụ không gian tiếp theo.

Thử nghiệm đầu tiên của công nghệ này đã diễn ra trên vệ tinh nhỏ AlSat-Nano CubeSat, mở đường cho những ứng dụng rộng rãi hơn. Giáo sư Michael Walls từ Trung tâm Công nghệ Hệ thống Năng lượng Tái tạo của Loughborough nhấn mạnh việc giảm trọng lượng tải trọng là yếu tố quan trọng để cắt giảm chi phí phóng, trong khi khả năng chống bức xạ vượt trội của CdTe cho phép hoạt động lâu dài trong môi trường không gian.

Điểm đặc biệt của phương pháp này là pin được lắp đặt trực tiếp lên kính bảo vệ, tạo nên cấu trúc tích hợp thông minh. Thay vì phải mang theo hai bộ phận riêng biệt, vệ tinh chỉ cần một lớp kính đa chức năng vừa bảo vệ vừa sản xuất điện năng.

Thị trường không gian bùng nổ tạo cơ hội

Sự xuất hiện của công nghệ pin mặt trời kính siêu mỏng diễn ra đúng thời điểm ngành công nghiệp không gian toàn cầu đang trải qua giai đoạn tăng trưởng bùng nổ. Riêng tại Anh, thị trường này đã đạt giá trị 17,5 tỷ bảng, trong khi nhu cầu về năng lượng mặt trời hiệu quả cho các ứng dụng không gian tăng vọt.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu dự báo nhu cầu năng lượng mặt trời không gian sẽ nhảy vọt từ 1 MWp/năm hiện tại lên 10 GWp/năm vào năm 2035. Con số này phản ánh sự mở rộng nhanh chóng của các chòm sao vệ tinh như Starlink của SpaceX cùng với sự phát triển của sản xuất dựa trên không gian, từ bán dẫn đến quang học sợi.

Dự án này nhận được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng doanh nghiệp với sáu đối tác quốc tế đóng góp chuyên môn kỹ thuật và hỗ trợ hiện vật trị giá 112.000 bảng Anh. Danh sách bao gồm những tên tuổi lớn như 5N Plus Inc. từ Canada, AIXTRON và Teledyne Qioptiq từ Anh, CTF Solar GmbH từ Đức, cùng với Manufacturing Technology Centre và Satellite Applications Catapult của Anh.

Sự hợp tác ba năm này được tài trợ bởi UKRI EPSRC và tận dụng các cơ sở nghiên cứu đẳng cấp thế giới. Trung tâm CISM của Swansea sở hữu hệ thống AIXTRON CCS MOCVD tiên tiến, trong khi Loughborough đóng góp Cơ sở Quốc gia Phân tích Cathodoluminescence Độ phân giải cao, công cụ thiết yếu cho nghiên cứu thiết bị quang điện tử.

Công nghệ pin mặt trời kính siêu mỏng không chỉ giải quyết bài toán trọng lượng và chi phí mà còn mở ra khả năng triển khai các dự án không gian quy mô lớn. Với tuổi thọ cao và khả năng chống bức xạ vượt trội, những tấm pin này có thể hoạt động ổn định trong nhiều năm, giảm thiểu nhu cầu bảo dưỡng và thay thế.

Thành công của dự án này có thể giúp Anh chiếm vị trí dẫn đầu trong cuộc cạnh tranh công nghệ không gian toàn cầu, đồng thời tạo nền tảng cho những đột phá tiếp theo trong lĩnh vực năng lượng tái tạo vũ trụ.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng