هل يمكن أن تكون الخلايا الشمسية العضوية هي الحلّ الأمثل لتزويد بعثات الفضاء بالطاقة؟ تشير اختبارات الإشعاع إلى إمكانية تفوقها على الخلايا التقليدية المصنوعة من السيليكون أو أرسنيد الغاليوم في توليد الكهرباء في الفضاء الخارجي.

تُظهر الأبحاث أن الخلايا الشمسية العضوية، المصنوعة من مواد كربونية، تتمتع بمزايا فريدة في مواجهة إشعاعات الفضاء. البحث الجديد يبحث في كيفية تأثر هذه الخلايا على المستوى الجزيئي، للكشف عن أسباب انخفاض الأداء في ظروف الإشعاع الشديد.

يقول يونغشي لي، أحد مؤلفي الدراسة الجديدة المنشورة في مجلة جول، وعالم أبحاث في جامعة ميشيغان: “السيليكون، المادة الشائعة في الخلايا الشمسية، ليس مستقرًا في الفضاء بسبب إشعاع البروتونات من الشمس”. “لقد اختبرنا الخلايا الشمسية العضوية بإشعاعات البروتونات، لأنها تعتبر أكثر الجسيمات ضررًا على المواد الإلكترونية في الفضاء”.

على الرغم من فعالية أرسنيد الغاليوم ومقاومته للبروتونات، إلا أنّه مكلف وثقيل. تبرز هنا أهمية الخلايا الشمسية العضوية؛ فمادتها مرنة وخفيفة الوزن. هذه الدراسة جزء من سلسلةٍ من الأبحاث حول موثوقية المواد العضوية في الفضاء، حيث تُفضل البعثات الفضائية عادةً المواد الموثوق بها للغاية.

الخلايا العضوية المصنوعة من جزيئات صغيرة أثبتت مقاومة عالية للبروتونات، حيث لم تُظهر أي تلف بعد تعرضها لمدة ثلاث سنوات للإشعاع. أما الخلايا المصنوعة من البوليمرات (جزيئات أكثر تعقيدًا) فقد انخفضت كفاءتها بنسبة 50%.

يوضح ستيفن فورست، أستاذ الهندسة في جامعة ميشيغان، أنَّ البروتونات تُفكك بعض السلاسل الجانبية في البوليمرات، ما يُؤدي إلى “فخاخ إلكترونية” تُضعف أداء الخلية الشمسية. هذه الفخاخ تُمسك بالإلكترونات المتحررة من الضوء، ومنعها من الوصول إلى الأقطاب التي تُنتج الكهرباء.

يضيف فورست أنَّ التسخين (التلدين الحراري) يمكن أن يُصلح بعض هذه الفخاخ، وربما هناك طرق أخرى لملء هذه الفخاخ بذرات أخرى. الخلايا الشمسية العضوية قد تُصلح نفسها ذاتيًا تقريبًا عند درجات حرارة 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) – بما يكفي لإصلاح الروابط في المختبر. لكن هل سيحدث ذلك في الفضاء الخارجي؟ هل الإصلاح موثوق به للمهمات الطويلة؟ التركيز ربما ينصب على تصميم مواد لا تُشكّل فخاخ الإلكترونات.

يُخطط لي لاستكشاف هذين المسارين من خلال منصبه الجديد كأستاذ مشارك في المواد المتقدمة والتصنيع في جامعة نانجينغ بالصين. تم تمويل البحث من شركة Universal Display Corp ومكتب البحوث البحرية الأمريكية.

تم تنفيذ الأبحاث باستخدام منشأة لوري لنانو التصنيع، ومختبر شعاع الأيونات في ميشيغان، ومركز ميشيغان لخصائص المواد.

تقدّم الفريق بطلب للحصول على براءة اختراع بمساعدة شراكات الابتكار في جامعة ميشيغان، وترخيص شركة Universal Display Corp للتكنولوجيا من الجامعة. ولـ فورست مصلحة مالية في شركة Universal Display Corp.

المصدر: جامعة ميشيغان

اقرأ المزيد من المعلومات: المصدر