Стеклянные чешуйки станут наполнителем для спутниковых солнечных батарей
Инженеры из Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого, МГУ и Сколтеха совместно с китайскими коллегами показали, что для большей прочности солнечных батарей из композитов нужно использовать в качестве наполнителя стеклянные чешуйки. Они повышают прочность батарей, почти не влияя на их оптические свойства. Подробнее узнать о разработке можно в публикации в журнале Polymers.
Солнечные батареи могут использоваться не только на Земле, но и в космосе и в околоземном пространстве. Но для того, чтобы снабдить спутники солнечными батареями, их нужно усовершенствовать. Такие батареи должны выдерживать крупные нагрузки при запуске спутников, а также обладать минимальной массой. Сейчас 70% массы солнечных батарей составляет защитное покрытие, причем чаще всего оно состоит из стекла, которое отличается хрупкостью. В качестве альтернативы могут использоваться оптические композиты, представляющие собой полимерную матрицу с прозрачным наполнителем.
Физики проверили, как наполнители, различающиеся по форме, размеру и содержанию частиц, влияют на механические и оптические свойства композитов. В качестве полимерной матрицы исследователи использовали термопластичный полиуретан, а в качестве наполнителя – стеклянные частицы в виде сфер, плоских чешуек и молотых волокон. Худшие показатели наблюдались у стеклянных сфер, которые значительно снижали механические свойства композита. Хотя сферы занимают минимальный объем, они почти не взаимодействуют между собой, поэтому связи между ними быстро разрушаются, что вызывает дефекты. Кроме того, сферический наполнитель на 10% снижает способность материала пропускать излучение, что ухудшает его оптические свойства, которые очень важны для солнечных батарей. Показатели чешуек и волокон оказались лучше: даже при объемном содержании 5-10% они могли повышать прочность композита до 140%. В то же время при высоком содержании этих наполнителей (больше трети) механические свойства ухудшались. Чешуйки и волокна почти не мешали композиту пропускать свет. Лучше всего с задачами справились чешуйки толщиной 3 мкм.
«Полученные результаты свидетельствуют о том, что толщина и геометрия наполнителя значительно влияют на свойства композита. Наши исследования показали, что возможно создать материалы для солнечных батарей с улучшенными эксплуатационными характеристиками, которые особенно востребованы в космической отрасли. В дальнейшем мы планируем исследовать наполнитель из стеклянных чешуек с большим диапазоном толщины – от 500 нанометров до 20 микрометров», – подвел итог Виктор Клинков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, финалист конкурса прорывных проектов молодых ученых Blue Sky Research.
