Представлены миниатюрные фотопреобразователи для дистанционной передачи энергии космическим аппаратам

25.08.2024 

 

При помощи арсенида галлия ученым удалось изготовить миниатюрные фотопреобразователи. Их функция – генерация электроэнергии при попадании на чувствительный элемент лазерного луча. Даже при размере в 0.2 миллиметра, устройства сохраняют эффективность.

 

Разработка открывает новые возможности для бесконтактной передачи энергии. С учетом огромного радиуса действия лазерного луча, становится возможной доставка электричества с наземных станций на спутники, сконцентрированные на околоземной орбите, более отдаленные аппараты. Возможно сообщение и между наземными объектами, при отсутствии между ними препятствий, блокирующих луч.

Инновационный подход

Метод передачи электроэнергии “по воздуху” уже не выглядит таким удивительным, как несколько лет назад. Индукционные устройства позволяют восстанавливать заряд аккумуляторов мобильных телефонов и электрокаров. В разработке находится и другая технология такой зарядки – посредством не индукции, а лазерного луча, радиус действия которого измеряется десятками километров.

В теории, лазер подходит для передачи электроэнергии, генерируемой на наземных станциях, орбитальным аппаратам. Схема подразумевает отправку лазерного луча с земли и его улавливание специальными фотоэлектрическими преобразователями, трансформирующими свет в электричество.

До недавних пор, у специалистов не получалось создать преобразователи, сочетающие миниатюрность, невысокую цену и эффективность.

Технический прорыв

Ученые, представляющие петербургский институт имени Иоффе, представили миниатюрный фотоэлектрический преобразователь, изготовленный из арсенида галлия, комбинации этого редкоземельного металла с мышьяком.

 

Конструкция достаточно проста. Основа – слой в форме трапеции, толщина которого составляет всего 45 микрометров. Состоит он из алюминия, мышьяка и галлия, выполняет функции волновода, пропускает лазерный луч, однако, заставляет его преломляться по определенному алгоритму.

Слой неоднороден, доля алюминия в нем постепенно уменьшается от точки входа луча к выходу. Именно неоднородность способствует достижению необходимого преломления, помогает корректировать вектор луча. За счет преломления, световой поток перенаправляется на основной компонент преобразователя, элемент из арсенида галлия, на котором происходит трансформация световых частиц в электричество.

Специалисты не остановились на достигнутом, провели ряд тестов, направленных на уменьшение габаритов преобразователя без вреда для эффективности. В ходе испытаний, было подготовлено несколько фотопреобразователей, различных по длине. Габариты самого компактного устройства составили 80 микрометров, крупного – 750. Было установлено, что по эффективности они сопоставимы, среднее значение составило 45 процентов. Длина меньше 80 микрометров сказывается на эффективности, она не выходит за 30 процентов.

Эта особенность объясняется физическими явлениями и закономерностями. В коротких преобразователях не удается достичь выраженного преломления лучей, они “пролетают” мимо активной зоны.

 

Экспертное мнение

Владимир Хвостиков, возглавляющий исследовательскую группу, один из ведущих ученых института имени Иоффе, провел сравнение устройства с западными аналогами. Зарубежным специалистам удалось создать фотопреобразователи, эффективность которых превысила 70-процентное значение, однако, в изготовлении они очень сложны и дороги, а плотность преобразования не выходит за ограничение в 30 ватт на сантиметр квадратный.

Российская модель проще, при этом, она примерно на 10 процентов эффективнее, в сравнении с импортными разработками, базовым компонентом для которых является кремний. Трансформируемая плотность мощности принимаемого лазерного луча – 10 киловатт на сантиметр квадратный.

Особенность западного устройства – просветляющее покрытие, увеличивающая эффективность за счет лучшего поглощения излучения. В среднем, прирост составляет четверть, по сравнению с модулями, где таковое отсутствует.

Специалисты института Иоффе отказались от покрытия, что сократило время завершения разработки и сделало эксперименты более наглядными, чистыми. Впрочем, на некоторых устройствах просветление было использовано, и они оказались эффективнее стандартных, показатель достиг 53-процентной отметки.

Ученые не намерены ограничиваться отдельными фотоэлементами. В ближайших планах значится их объединение в комплексы, которые должны демонстрировать не просто эффективное преобразование светового потока в электричество, но и поддерживать высокие напряжения. Это расширит сферу эксплуатации разработки.

Источник статьи - https://lan-art.ru/