光电在航天器中的应用

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航天器工程师面临的最困难的问题之一是，一旦航天器脱离地球大气层，如何为其提供动力。由于燃料的重量，运输燃料非常昂贵，如果计划进行长途旅行，那么将这么多燃料排放到大气中是非常不现实的。

这使得有必要找到为工艺提供电力的替代方法。根据使命的性质，有两个通常使用的系统。如果任务是外太阳系统和超越，则可以优选放射性同位素热电发电机。放射性元件，例如钚238，衰减并提供热量。这使热电发电机的一侧加热，另一侧在近绝对温度的空间，这产生了温差，发电。这些系统可以持续令人难以置信的时间，但如果他们出错，那么船员将是灾难性的。仅仅是木星的旅行，因此只使用光伏或太阳能电池板，因为如果它们出错，它们的灾难性较小，只要它们足够靠太阳，就可以无限期地提供电力。

光伏的主要用途是为其他系统提供能量，包括传感器、主动加热、冷却和遥测。它们也可以为运动提供动力，有时被称为太阳能电力推进，但这通常在较小的飞船上看到，因为这是一个能源密集型过程。

1958年，随着先锋一号卫星的发射，太阳能电池板首次被安装到航天器上。这确保了更长的使用寿命，并有助于减少负载。从那以后，它们被用于大多数主要的空间任务，其中最著名的广泛使用光电的航天器是国际空间站。国际空间站的标志性形状是在中心的乘员舱两侧的大型太阳能阵列，占地面积超过2500平方米。这个区域足以产生84到120千瓦的电力，为整个空间站提供动力。这些太阳能板的运行效率约为12%，尽管它们最初安装时很先进，但太阳能技术一直在不断改进。例如，目前被用来为火星好奇号火星车提供两倍能量的材料的效率是后者的两倍多，大约是26%，而实验室正在开发的光伏材料的效率是44.5%。亚博网站下载

使用光伏发电有一些缺点。首先，产生的电量取决于阵列的大小:更大的车辆需要更大的阵列，这就会导致成本上升。成本也是当地的一个重要因素。尽管太阳能越来越便宜，但这只适用于那些在地球上大规模发电的系统。航天器使用的尖端技术从来都不便宜。最后，离太阳越远，太阳能电池板的运行就越困难。这就限制了它们在木星轨道半径范围内的应用。

这些都是未来的工程师想要解决的问题。除了继续提高太阳能板的效率的明显愿望之外，还有一些技术正在研究中，以便在航天器上继续使用光电技术。第一个是聚光太阳能阵列的概念，它使用一个被称为菲涅耳透镜的平面透镜，将一大片阳光聚焦到面板上一个小得多的区域。这样做的效果是大大增加了撞击面板的光子数量，使面板获得与没有聚光透镜的大得多的面板相同的功率输出;这意味着需要生产的太阳能电池更少。由于电池通常是阵列中最昂贵的部分，也是航天器中非常昂贵的部分，由于生产和运输所需的材料较少，它可以大幅降低成本。

第二种策略需要更多的创新思维。当你只是在太空中运输原材料并建造它们的时候，为什么要在一开始就把电池板送上去呢?亚博网站下载这种方法不仅仅局限于光伏;2014年，一个打印头面板在国际空间站上被3D打印出来，成为首个在太空中制造的物体。这种在太空中就地建造的组件是能够在轨道上生产整个系统的下一步，其中一些第一步将是太阳能阵列。

额外阅读

1. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1709/1709.01787.pdf
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panels_on_spacecraft
3. https://www.nasa.gov/pdf/163008main_SESE_TeachersGuide__Part_dc3.pdf
4. https://www.weforum.org/agenda/2017/08/this-is-the-most-efficient-solar-panel-ever-made
5. https://www.nasa.gov/content/open-for-business-3-d-printer-creates-first-object-in-space-on-international-space-station

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