Photovoltaikzellen im Weltraum
Stromerzeugung für Einsätze unter härtesten Bedingungen
Der Weltraum ist eine der anspruchsvollsten Umgebungen, die die Menschheit erforscht hat. Seine extremen Temperaturen und die hohe elektromagnetische und Partikelstrahlung machen ihn zu einer zentralen Herausforderung für jedes Raumfahrzeug. Hinzu kommen Photovoltaikzellen, die während des gesamten Einsatzes Strom erzeugen müssen. Diese Zellen benötigen leistungsstarke Abdeckgläser, damit sie und ihre Komponenten geschützt sind und der Wirkungsgrad durch eine hohe Lichtdurchlässigkeit erhöht wird.
Schutz im Weltraum
Am 4. Oktober 1957 begann mit dem Start des sowjetischen Satelliten Sputnik 1 ein großes Kapitel der Raumfahrt. Die Mission des ersten künstlichen Erdsatelliten war jedoch nur von kurzer Dauer. Damals wurde der Satellit mit Batterien betrieben. Diese hielten nur 21 Tage, und nach 92 Tagen im Orbit verglühte Sputnik 1 in der Atmosphäre.
Zu diesem Zeitpunkt begann der Wettlauf um die technische Überlegenheit im Weltraum. Kurz darauf wurden die Satelliten neben Batterien auch mit Solarzellen ausgerüstet. Ziel der integrierten Solarzelle war es, Satelliten für die Dauer ihrer Missionen mit Strom zu versorgen, der aus der Sonneneinstrahlung in der Umlaufbahn gewonnen wird. Dadurch wurde die Batteriegröße deutlich reduziert und die Einsatzdauer erheblich verlängert. Von den rund 4.900 aktiven Satelliten, die bis Ende 2021 die Erde umkreisen, ist fast jeder Satellit auf Solarzellen angewiesen, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten.
Ein weiteres Problem für Satelliten im Weltraum ist die Abnutzung. Der Weltraum ist eine lebensfeindliche Umgebung mit extrem niedrigen und hohen Temperaturen und enormen Temperaturschwankungen. Außerdem sind die Missionen dem Druck der Vakuumatmosphäre und einer hohen Dosis elektromagnetischer und geladener Teilchenstrahlung von der Sonne und anderen Sternen außerhalb unseres Sonnensystems ausgesetzt. Diese sind für Materialien äußerst belastend.
Um den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen im Weltraum standzuhalten, benötigen Materialien einen geeigneten Schutz. Um funktionieren zu können, sind die Solarzellen, die Satelliten ausstatten, auf den langfristigen Schutz angewiesen, der durch die Verglasung der Solarzellen gewährleistet wird.
Glas – das optimale Material für die Weltraum-Photovoltaik
Solarzellen bestehen aus Halbleiterelementen wie Germanium oder Silizium, in die weitere Bestandteile wie Arsen, Bor, Gallium oder Phosphor in kleinen Mengen schichtweise eingebracht werden. Diese Verunreinigung des Halbleiters wird Dotierung genannt und erzeugt, einfach erklärt, sich überlagernde Schichten mit einem Elektronenüberschuss oder -defizit. Die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im sichtbaren Licht- oder Nahinfrarotbereich, stimuliert die Elektronenübertragung zwischen den Schichten und damit den Stromfluss. Solange die Solarzelle bestrahlt wird, wird dieser Prozess fortgesetzt.Als nahezu unermüdliche Strahlungsquelle ist die Sonne nicht nur das Zentrum unseres Sonnensystems, sondern mit Hilfe von Solarzellen auch der zentrale Bestandteil der Stromerzeugung. Die Sonne und andere Sterne außerhalb unseres Sonnensystems emittieren jedoch Strahlungsarten, die sowohl hilfreich als auch schädlich sind. Insbesondere hochenergetische Strahlung geladener Teilchen und kurzwellige UV-Strahlung verursachen große Schäden in der Solarzelle und zerstören die dotierten Halbleiterschichten. Ohne hinreichenden Schutz verliert eine Solarzelle rasch ihre Funktion.
Um diese Schäden zu reduzieren oder gar zu vermeiden, bietet das Solarzellen-Abdeckglas zwei wesentliche Eigenschaften: Es sorgt für eine hohe Transmission und bietet Strahlenschutz. Dieses Abdeckglas wirkt wie ein Filter und ist hochtransparent für die Nutzstrahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Spektrum bei gleichzeitiger Reduzierung der Intensität schädlicher Strahlung oder sogar vollständiger Absorption, ohne selbst beschädigt zu werden. Dies sind die Transmissions- und Schutzeigenschaften der SCHOTT® Solar Cell Cover Gläser.
Vorteile von Glas im Weltraum
Im Weltraum sind Satelliten ständigen Angriffen durch verschiedene Strahlungsarten ausgesetzt. Elektromagnetische Strahlung in Form von UV- und energiereicher Partikelstrahlung kann durch Solarisation und elektrostatische Aufladung zur Materialdegradation führen. Durch das Blocken dieser Strahlung schützt das SCHOTT® Solar Cell Cover Glass die Zelle und ihre sensiblen Bestandteile.
Schützt vor schädlicher UV- und Partikelstrahlung
Solarzelle mit Abdeckglas
Solarzelle ohne Abdeckglas
Steigert die Effizienz der Solarzelle
Dank der hohen Lichtdurchlässigkeit ermöglicht SCHOTT® Solar Cell Cover Glass, dass mehr Licht die Solarzelle erreicht, um mehr Strom für das Raumfahrzeug zu erzeugen. Mit einer Transmission von über 90 % im UV-A- bis NIR-Bereich ist SCHOTT® Solar Cell Cover Glass ideal auf das Spektrum der Sonne abgestimmt, und die Lichtmenge, die die Solarzelle erreicht, wird maximiert, ohne dass Energie verloren geht.
Ultradünn und kostengünstig
Die Erkundung des Weltraums ist ein teures Geschäft, und alles, was die Treibstoffkosten senken kann, wird vom Satellitenbetreiber begrüßt. SCHOTT® Solar Glass sphere ist in Dicken ab 30 Mikrometern erhältlich und bietet hohe Festigkeit und Schutz bei geringerem Gewicht.
Verwendete Materialien
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