Bụi Mặt Trăng thành Điện: Công nghệ Mặt Trời Có Thể Thúc đẩy Bước Nhảy Vọt Khổng Lồ Tiếp theo của Không gian
Bởi Cell Press
Tầm nhìn về việc chế tạo pin mặt trời trong tương lai trên Mặt Trăng, sử dụng regolith thô. Hình ảnh cho thấy các rô-bốt lấy regolith thô và mang đến cơ sở sản xuất, nơi chế tạo pin mặt trời mặt trăng dựa trên perovskite. Sau đó, các xe tự hành hoặc phi hành gia tự động lắp đặt các pin mặt trời đã sản xuất để cung cấp điện cho các môi trường sống trên Mặt Trăng trong tương lai hoặc thậm chí là các thành phố. Nguồn: Sercan Özen, đã chỉnh sửa
Các nhà khoa học đã tạo ra các pin mặt trời bằng cách sử dụng bụi Mặt Trăng mô phỏng, có khả năng giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của hoạt động thám hiểm không gian: làm thế nào để tạo ra năng lượng đáng tin cậy ở xa Trái Đất.
Những tấm pin mới này, được làm bằng perovskite và thủy tinh Mặt Trăng, nhẹ hơn, rẻ hơn và chống bức xạ tốt hơn so với các tấm pin mặt trời không gian truyền thống. Thậm chí còn tuyệt hơn, chúng có thể được chế tạo bằng vật liệu Mặt Trăng, giúp giảm đáng kể chi phí phóng và giúp các căn cứ trên Mặt Trăng trong tương lai khả thi hơn. Nếu thành công trong điều kiện thực tế của Mặt Trăng, những tấm pin mặt trời do Mặt Trăng chế tạo này có thể cung cấp điện cho toàn bộ các thuộc địa ngoài Trái Đất.
Cung cấp năng lượng cho không gian bằng bụi Mặt trăng
Cùng loại bụi Mặt trăng bám trên giày của các phi hành gia một ngày nào đó có thể cung cấp năng lượng cho nơi ở của họ. Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay (ngày 3 tháng 4) trên tạp chí Device, các nhà nghiên cứu đã phát triển các tấm pin mặt trời sử dụng bụi Mặt trăng mô phỏng. Các tấm pin này chuyển đổi hiệu quả ánh sáng mặt trời thành điện, chống lại tác hại của bức xạ và có thể giảm nhu cầu vận chuyển các vật liệu nặng từ Trái đất, giải quyết một trong những thách thức lớn của hoạt động thám hiểm không gian: tạo ra năng lượng đáng tin cậy.
Nhà nghiên cứu chính Felix Lang của Đại học Potsdam, Đức cho biết: "Các tấm pin mặt trời được sử dụng trong không gian hiện nay rất tuyệt vời, đạt hiệu suất từ 30% đến thậm chí 40%, nhưng hiệu suất đó phải trả giá". "Chúng rất đắt và tương đối nặng vì chúng sử dụng kính hoặc giấy bạc dày làm lớp phủ. Thật khó để biện minh cho việc đưa tất cả các tấm pin này vào không gian".
Biến đá Mặt trăng thành kính Mặt trăng
Lang và nhóm của ông đang khám phá một giải pháp thay thế bền vững hơn: chế tạo các tấm pin mặt trời bằng các vật liệu đã tìm thấy trên Mặt trăng. Thay vì vận chuyển kính từ Trái đất, họ đề xuất sử dụng regolith Mặt trăng - bề mặt đá rời rạc của Mặt trăng - để tạo ra kính cho các tấm pin mặt trời. Chỉ một thay đổi này có thể giảm 99,4% khối lượng phóng của tàu vũ trụ, cắt giảm 99% chi phí vận chuyển và hỗ trợ phát triển các căn cứ mặt trăng dài hạn.
Để thử nghiệm ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã nấu chảy một chất được thiết kế để mô phỏng bụi Mặt trăng thành thủy tinh mặt trăng và sử dụng nó để chế tạo một loại pin mặt trời mới. Họ chế tạo các tấm pin bằng cách ghép thủy tinh mặt trăng với perovskite—một loại tinh thể rẻ hơn, dễ chế tạo hơn và rất hiệu quả trong việc biến ánh sáng mặt trời thành điện. Đối với mỗi gam vật liệu được đưa vào không gian, các tấm pin mới tạo ra năng lượng nhiều hơn tới 100 lần so với các tấm pin mặt trời thông thường.
Mô phỏng regolith Mặt trăng, thủy tinh mặt trăng và pin mặt trời Mặt trăng. Ảnh chèn cho thấy một ảnh chụp cắt ngang và cấu trúc tinh thể perovskite. Tín dụng: Felix Lang, biên tập
Nhiều năng lượng hơn, ít trọng lượng hơn
“Nếu bạn cắt giảm 99% trọng lượng, bạn không cần pin mặt trời 30% siêu hiệu quả, bạn chỉ cần sản xuất nhiều pin hơn trên Mặt trăng”, Lang nói. “Thêm vào đó, các tấm pin của chúng tôi ổn định hơn trước bức xạ, trong khi các tấm pin khác sẽ bị phân hủy theo thời gian”.
Khi nhóm nghiên cứu chiếu xạ các tế bào quang điện bằng bức xạ cấp vũ trụ, các phiên bản thủy tinh mặt trăng hoạt động tốt hơn các phiên bản do Trái đất tạo ra. Thủy tinh tiêu chuẩn chuyển dần sang màu nâu trong không gian, chặn ánh sáng mặt trời và làm giảm hiệu suất. Nhưng thủy tinh mặt trăng có màu nâu tự nhiên từ tạp chất trong bụi Mặt trăng, giúp ổn định thủy tinh, ngăn không cho thủy tinh bị sẫm màu thêm và giúp các tế bào chống lại bức xạ tốt hơn.
Quy trình đơn giản, kết quả đáng ngạc nhiên
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tạo ra thủy tinh mặt trăng đơn giản đến ngạc nhiên. Nó không đòi hỏi quá trình tinh chế phức tạp và chỉ riêng ánh sáng mặt trời tập trung cũng có thể cung cấp nhiệt độ cực cao cần thiết để làm tan chảy đá mặt trăng thành thủy tinh. Bằng cách điều chỉnh độ dày của thủy tinh mặt trăng và tinh chỉnh thành phần của tế bào quang điện, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất 10%. Với thủy tinh mặt trăng trong hơn cho nhiều ánh sáng hơn, họ tin rằng họ có thể đạt được 23%.
Tuy nhiên, Mặt trăng đặt ra những thách thức mà Trái đất không gặp phải. Trọng lực thấp hơn có thể thay đổi cách hình thành thủy tinh mặt trăng. Các dung môi hiện đang được sử dụng để xử lý perovskite sẽ không hoạt động trong môi trường chân không của Mặt trăng. Nhiệt độ dao động mạnh có thể đe dọa đến độ ổn định của vật liệu. Để tìm hiểu xem các tế bào quang điện bụi Mặt Trăng của họ có thực sự khả thi hay không, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ tiến hành một thí nghiệm quy mô nhỏ trên Mặt Trăng để thử nghiệm chúng trong điều kiện thực tế của Mặt Trăng.
Xây dựng Tương lai sử dụng năng lượng từ Mặt Trăng
“Từ việc khai thác nước làm nhiên liệu cho đến xây nhà bằng gạch Mặt Trăng, các nhà khoa học đã tìm ra cách sử dụng bụi Mặt Trăng”, Lang cho biết. “Bây giờ, chúng ta cũng có thể biến nó thành các tế bào quang điện, có thể cung cấp năng lượng mà một thành phố Mặt Trăng trong tương lai sẽ cần”.
Tài liệu tham khảo: “Mặt Trăng quang điện sử dụng Regolith Mặt Trăng và Perovskites Halide” của Ortiz và cộng sự, ngày 3 tháng 4 năm 2025, Device.
DOI: 10.1016/j.device.2025.100747
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ từ Quỹ Volkswagen để tài trợ thông qua Chương trình Freigeist Q14.
