Производство солнечных панелей на Луне: вызовы и решения

Строительство и развитие крупных лунных баз требует обеспечения местным производством, и одним из первых шагов в этом направлении является создание стройматериалов. Лунный реголит, находящийся под ногами, может стать основой для различных конструкций и материалов. Однако любая лунная инфраструктура, включая производство стройматериалов, сталкивается с серьезной проблемой — необходимостью в большом количестве энергии. Привозить целую солнечную электростанцию для производства кирпичей нецелесообразно. Гораздо более рационально использовать эту энергию для создания солнечных панелей, которые впоследствии обеспечат всю лунную инфраструктуру энергией.

Местные ресурсы для производства солнечных панелей

На Луне есть множество полезных химических элементов, содержащихся в лунном реголите. Ключевыми из них для производства солнечных панелей являются:

Кремний — основа большинства современных солнечных элементов и главный компонент для производства стекла.

Алюминий — металл с хорошей электропроводностью, используемый для токосъемников и проводки.

Кроме того, реголит содержит кислород, железо, титан, кальций и другие элементы, которые могут быть полезны в производстве. Однако главная проблема заключается в том, что эти элементы находятся в составе минералов и требуют переработки для извлечения.

Проблемы переработки реголита

Для начала производства на Луне необходимо воспроизвести процесс переработки реголита на Земле с использованием реголитных симулянтов — искусственных материалов, имитирующих лунный грунт. На Земле в производстве высокотехнологичной продукции широко используются кислоты, щелочи и растворители, однако на Луне нет необходимой химической инфраструктуры. Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, требующие минимального количества привозных реагентов.

Подходы к производству солнечных панелей

Существует несколько подходов к превращению реголита в солнечные панели. Один из них — использование физических и электрохимических процессов. Исследователи из Хьюстонского университета разрабатывают концепцию полного производственного цикла солнечных панелей из лунного реголита. Примером такого подхода является проект Blue Alchemist компании Blue Origin, который стартовал в 2021 году.

Проект Blue Alchemist

Blue Alchemist нацелен на превращение лунного реголита в материалы для энергетической инфраструктуры. Первой задачей стало извлечение полезных элементов из реголита, который на Луне находится в связанном с кислородом состоянии. Компания выбрала метод электролиза расплавленного реголита, нагревая его до 1600 °C и пропуская электрический ток, что позволяет отделить кислород от железа, кремния и алюминия. При этом кислород становится полезным продуктом. Однако для солнечных элементов требуется кремний высокой чистоты. Blue Origin разработала метод очистки, позволяющий получать кремний с чистотой более 99,999%. Тем не менее, достижение такой степени очистки на Луне может быть сложной и дорогостоящей задачей. С 2024 года Blue Origin планирует производить солнечные элементы, токопроводящие провода и защитное стекло из реголитного симулянта. Защитное стекло должно защищать солнечные элементы от лунной радиации более десяти лет.

Альтернативные подходы

Специалисты из Maana Electric разработали процесс получения кремния на основе электрохимических процессов в расплавах солей, что позволяет снизить рабочую температуру до менее 1000 °C. Maana была основана в Люксембурге в 2018 году и изначально нацелена на местное производство солнечных панелей. Их концепция TerraBox предполагает автоматизированную фабрику, которую можно использовать для производства солнечных панелей из песка на Земле, а LunaBox — для переработки реголита на Луне. В 2024 году Maana продемонстрировала работающий солнечный элемент с использованием кремния, полученного из песка. Следующим этапом компании является объединение этой технологии с производством стекла из обогащенного реголита. Исследователи Потсдамского университета и Технического университета Берлина рассматривают возможность изготовления стеклянной подложки и корпуса солнечной панели на Луне, а сам фотоэлемент доставлять с Земли. В их концепции используются перовскитные солнечные элементы, которые позволяют получить большую площадь панели при относительно небольшой массе перевозимого сырья. Китайская академия наук также предполагает, что значительная часть материалов будет получена из реголита, а легирующие добавки будут импортироваться с Земли.

Инновационный подход JPM Silicon

Проект SoMo, начатый JPM Silicon и Техническим университетом Берлина, предполагает, что кремний не будет извлекаться из реголита отдельным этапом. Вместо этого реголит плавится и превращается в стекло, которое затем используется для создания солнечного элемента. Однако для восстановления кремния потребуется алюминий, который можно извлечь из реголита.

Заключение

На данный момент ни один из подходов не вышел за пределы земных лабораторий, и остаются вопросы по эффективности получаемых фотоэлементов. Главная задача заключается в объединении отдельных процессов в единую надежную систему. Оборудование на Луне должно работать в вакууме, выдерживать перепады температур и перерабатывать абразивный реголит. Автоматизация производства также является критически важной, так как лунные установки не могут постоянно обслуживаться или снабжаться расходными материалами с Земли.