Artículo cortesía de NREL.
por Wayne Hicks
En una noche despejada, Kaitlyn VanSant podrá ver pasar su trabajo. Sin embargo, al conocer el éxito de su proyecto, tendrá que esperar hasta que su pequeña adición temporal a la Estación Espacial Internacional regrese a la Tierra.
“Mi familia y yo definitivamente hemos estado levantando la vista por la noche con más frecuencia”, dijo VanSant, quien obtuvo su doctorado de la Escuela de Minas de Colorado en ciencia de materiales el año pasado. Ahora, investigador postdoctoral de la NASA, VanSant tiene una cita de colaboración única en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
El emparejamiento de NREL y NASA continúa una alianza de larga data entre la energía solar y el espacio. Se han utilizado paneles fotovoltaicos (PV) especializados dirigidos al sol para generar electricidad para los rovers y sondas espaciales de Marte, pero los costos de fabricación de estas células solares de alta eficiencia son demasiado altos para su uso en la Tierra. Los investigadores de NREL están probando formas de reducir esos costos para las aplicaciones terrestres y transformando la forma en que las tecnologías fotovoltaicas también podrían funcionar en el espacio.
La última prueba evaluará el uso potencial de las células solares de perovskita en el espacio y evaluará la durabilidad de los materiales utilizados en esas células. VanSant trabajó con Ahmad Kirmani, Joey Luther, Severin Habisreutinger, Rosie Bramante, Dave Ostrowski, Brian Wieliczka y Bill Nemeth en NREL para preparar las células y los materiales de perovskita. Está previsto que ocho de estas muestras se lancen a la estación espacial en agosto y otro conjunto de 25 muestras se lanzará en la primavera de 2022. Las muestras, cada una de las cuales tiene un tamaño de una pulgada cuadrada, son parte de la Estación Espacial Internacional de Materiales. Experimente (MISSE) y se sujetará al exterior de la plataforma en órbita.
La Estación Espacial Internacional (ISS) sirve como un laboratorio de investigación en órbita y un observatorio que realiza experimentos científicos en una variedad de campos que incluyen la astronomía, la física y la ciencia de los materiales, por nombrar solo algunos.
“Logramos probar tecnologías muy incipientes de tal manera que no nos engañemos simulando el entorno espacial en el suelo en una cámara de vacío, por ejemplo”, dijo Timothy Peshek, ingeniero eléctrico del grupo fotovoltaico de NASA Glenn. Research Center en Cleveland y asesor postdoctoral de VanSant. “Esta es la operación del mundo real”.
Con la aprobación en la mano para devolver los experimentos fotovoltaicos a la estación espacial, Peshek llamó a los investigadores que quisieran participar. Adele Tamboli, investigadora del grupo de investigación de Física de Materiales en NREL, agradeció la oportunidad y presentó a Peshek a VanSant.
“La asociación con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable tiene mucho sentido”, dijo Peshek, él mismo ex investigador postdoctoral en NREL. “Tenían las instalaciones y las habilidades listas para comenzar desde el primer día”.
Esta muestra de perovskita se encuentra en la fase cristalina intermedia y está a punto de colocarse en una placa calefactora para cristalizar completamente. Foto de Dennis Schroeder, NREL
La energía solar en la Tierra tiende a generarse a partir de módulos de silicio. Otras tecnologías fotovoltaicas, como las que se utilizan en el espacio, se basan en materiales de las columnas III y V de la tabla periódica y se denominan células III-V. Los científicos han experimentado apilando una celda III-V encima de una capa de silicio para aumentar la eficiencia de capturar la luz solar para convertirla en electricidad. Por sí misma, la célula solar de silicio más eficiente es de aproximadamente el 26%, cuando se mide bajo el espectro solar terrestre típico. (El espectro solar es diferente en la Tierra y en el espacio).
Tamboli estuvo entre el grupo de investigación que estableció récords en 2017 para las células III-V en silicio, incluida una célula de triple unión con una eficiencia del 35,9%. Ella, junto con VanSant y la científica Emily Warren, propondrían más tarde que este tipo de células podrían encontrar un uso para alimentar satélites en una órbita terrestre baja. Antes de que eso pudiera suceder, las células tuvieron que probarse en las condiciones extremas del espacio.
Si la luna es una amante dura, el espacio mismo puede ser igualmente cruel. El equipo está sujeto a cambios extremos de temperatura y bombardeado por la radiación solar. Cuando la ISS se mueve detrás de la Tierra y se aleja del sol, la temperatura cae en picado a 250 grados bajo cero Fahrenheit. Emerger a la luz del sol eleva la temperatura a 250 grados por encima de cero.
“Eso es duro”, dijo Peshek. “Ese es un ambiente bastante brutal”.
“El daño por radiación es un factor”, dijo Warren. “Nuestra celda récord fue arseniuro de galio sobre silicio, y la que enviamos es en realidad fosfuro de galio indio sobre silicio. Eso fue porque sabemos que esos materiales serían más tolerantes a la radiación “.
La nave espacial de reabastecimiento de carga de SpaceX llevó la celda solar de silicio III-V de NREL a la ISS en marzo de 2020. VanSant, cuyo Ph.D. La investigación se centró en las células solares en tándem III-V sobre silicio, trabajó con Michelle Young y John Geisz en NREL para fabricar el prototipo de célula para el proyecto MISSE, y vio una transmisión del lanzamiento del cohete que lo llevaba al espacio.
“Lo vi con mis dos hijas”, dijo VanSant. “Se divirtieron mucho. Quiero decir, realmente no puedes ver un lanzamiento espacial sin estar completamente fascinado. Nadie puede mostrarse indiferente ante un lanzamiento espacial “.
El prototipo pasó 10 meses colocado en el exterior de la ISS antes de ser devuelto a la Tierra en enero.
“El análisis posterior al vuelo de la celda nos da la oportunidad de estudiar cómo queremos hacer evolucionar el diseño y mejorarlo para el rendimiento y ver si es realista que esta podría ser una tecnología para proporcionar energía en el espacio”, dijo VanSant.
Ahora está jugando a esperar por las células solares y los materiales de perovskita, que se espera que pasen seis meses en la EEI. El proceso no es un tiro directo al espacio. Después de NREL, las células se envían a Alphaspace, una empresa de Houston que prepara las muestras para operar en la plataforma MISSE y organiza el lanzamiento del experimento a bordo de un vuelo de SpaceX.
Las células solares de perovskita se cultivan utilizando una mezcla de productos químicos y se destacan por una rápida mejora en la eficiencia con la que pueden aprovechar la luz solar para obtener energía. La experimentación en curso implica la preparación de células de perovskita para uso comercial. Las primeras células de perovskita se degradaron demasiado rápido. Se ha avanzado, pero aún queda trabajo por hacer.
“Es un problema realmente interesante”, dijo Peshek, “porque estas células son conocidas por tener problemas de degradación. Pero la razón por la que se degradan es por la humedad y el oxígeno. No tenemos que preocuparnos por eso en el espacio “.
Experimentos terrestres realizados en instalaciones de prueba de radiación demuestran que las células solares de perovskita son sorprendentemente tolerantes a la radiación, dijo Joseph Luther, científico senior de NREL, co-asesor del proyecto y experto en tecnología de perovskita. “Son muy delgados y eso ayuda mucho. La mayor parte de la radiación simplemente los atraviesa. El silicio, en relación con las perovskitas, es cientos de veces más grueso. También es muy barato debido a la escala de producción y es increíble para aplicaciones fotovoltaicas terrestres, pero en el espacio es tan denso que cuando la radiación incide en la superficie se absorbe y daña la célula, causando problemas ”.
Las células solares ligeras de perovskita encajarían con la misión en curso de la NASA de reducir el precio de poner una carga útil en órbita, de aproximadamente $ 10,000 por libra hoy a cientos de dólares por libra dentro de un cuarto de siglo.
“Estamos muy interesados en tratar de igualar la eficiencia de las células solares III-V, pero hacerlo con un diseño de célula extremadamente ligero”, dijo Luther. “Las perovskitas se pueden depositar en plásticos o láminas de metal y cosas así, que son comparativamente livianas”.
La eficiencia de las células solares se midió antes de salir de NREL y se medirá de nuevo a su regreso. Tanto las células como los materiales componentes de las células también se caracterizarán antes y después del vuelo, con la experiencia en imágenes proporcionada por Steve Johnston. Lo bien que sobrevivieron las células y los materiales de perovskita a su viaje será evidente de inmediato. Lyndsey McMillon-Brown, ingeniera de investigación en el Centro de Investigación Glenn de la NASA e investigadora principal en el esfuerzo por llevar a cabo el trabajo con Peshek para llevar perovskitas al espacio, dijo que un cambio de color ofrece la primera pista.
“La fase deseable para una célula solar de perovskita es una fase negra”, dijo. “La película es de color negro azabache. Sin embargo, cuando estas cosas se degradan, se vuelven de un color mostaza amarillento. Así que esperamos ver películas negras a su regreso “.
Las lecciones aprendidas del tiempo que las perovskitas pasan en el espacio podrían ayudar con la tecnología a nivel terrestre. “Algunas de las cosas a las que nos enfrentamos en el espacio son extremas, como el ciclo de temperaturas extremas, la exposición extrema a los rayos UV, pero cuando estás aquí en la Tierra todavía tienes exposición a los rayos UV y todavía tienes ciclos de temperatura”, dijo McMillon-Brown. “Simplemente no es tan rápido y frecuente. Todavía estamos pensando que nuestras lecciones aprendidas y nuestros hallazgos se aplicarán y ayudarán a que las perovskitas sean más comercializables y también a ganar una mayor participación de mercado comercial aquí en la Tierra “.
Mientras espera el regreso de las muestras de perovskita, VanSant recibe un recordatorio regular del trabajo en curso. Se registró para recibir notificaciones de texto sobre cuándo la ISS está visible en lo alto. Cuando es el momento adecuado y sus hijas de 7 y 9 años están despiertas, intentan localizar la estación espacial.
“Además de ver pasar la ISS en el cielo nocturno, también hemos visto imágenes de video de la NASA de cámaras fuera de la ISS que muestran la Tierra pasando mientras la ISS orbita”, dijo VanSant. “El lanzamiento de estas células ha sido un gran recordatorio para mirar hacia el cielo nocturno, pero también una oportunidad para ver las cosas desde una perspectiva completamente diferente”.
Cortesía de NREL.
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Es el momento, volvemos a vernos una próxima vez. ¡Nos vemos!