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No022 专题:太空探索的新时代已经到来:我们从哪里来,又要去哪里?

编号022

专题:太空探索的新时代已经到来。我们从哪里来,又要去哪里?

参观实验室实验室介绍

又薄又轻,透明且持久使用太阳能电池,太空与地球改变你的生活。

2020.02.28

东京理科大学理工学院电气电子信息工程系杉山实验室

东京理科大学理工学院电气电子信息工程系杉山实验室

在太空中创建第二个地球的“太空殖民地”概念。作为一种使人类能够进入太空并解决人口爆炸问题的方法,研究已经进行了一段时间,但为了使之成为现实,仍有许多问题需要解决。在这种情况下,东京理科大学成立了太空殖民地研究中心,通过产学官之间的合作,通过开放式创新,研究和开发有助于实现太空殖民地和解决地球上各种问题的技术。这次,我们采访了该中心能源创造和存储技术团队的杉山睦美教授和宇宙农业技术团队的胜俣贤一副教授。

(采访/文/鸟岛真也摄影/黑泷千里〈Amana〉)

第一部分:东京理科大学理工学院电气电子信息工程系教授杉山睦美

杉山睦教授

薄、轻、透明的太阳能电池,可持续使用一万年

望远镜杂志(TM)──首先请您介绍一下能源创造和存储技术团队的角色。

杉山──能源创造和存储技术团队的研究重点是“创造和存储能源”。例如,研究的主要支柱之一是提高太阳能电池的性能和能力,太阳能电池已经用于人造卫星。另外,在太空中,有时会受到阳光照射,有时则不会,因此我们正在研究利用热量发电,以便持续稳定地发电。

我们还在研究“充电/存储”技术来存储所产生的电力。当我们谈论充电时,我们熟悉智能手机电池,但电池的寿命很短,效率也不是很高,因此我们正在研究一种称为“飞轮”的利用动能的充电和存储方法。

TM──您在杉山实验室研究什么?

杉山──我们的实验室正在进行太阳能电池的研究。太阳能电池对于家庭发电来说是很熟悉的,但当将其发射到太空时,成本就成了一个问题。因此,我们正在开发薄膜型太阳能电池。已经研制成功的,轻如纸,发电量与地球上使用的相差不大,但单位质量的发电量却大了50至100倍。

我们还在开发透明太阳能电池。由于它是透明薄膜的形式,因此可以粘贴在任何地方,例如航天器或空间站的窗户上,以发电。

透明太阳能电池
吸收紫外线并发电的透明太阳能电池。它使用称为氧化镍(NiO)和氧化锌(ZnO)的材料,当与氧气结合时会变得透明。
东京大学凝聚态理论实验室

TM──如果这么薄这么轻,我担心损坏和耐用性,但是可以吗?

杉山──耐用性是一个大问题。例如,目前人造卫星使用的太空太阳能电池大约10年就会损坏。这是因为太空中有强烈的辐射飞来飞去,阳光照射时与非阳光照射时的温差很大。不仅是太阳能电池,所有使用半导体的设备,例如相机,都会受到此影响,并且持续时间不会很长。

如果一颗卫星坏了,你可以直接发射一颗新卫星,但太空殖民地使用的太阳能电池面积很大,所以即使它坏了,你也不能立即发射一颗新卫星。因此,我们开发了一种可以使用300到500年的太阳能电池。而且,我们目前正在研究的一些东西大约一万年都不会损坏。

TM──需要那么长时间吗? ?这是怎么发生的?

杉山──秘密就在于“逆转理念”。传统的太阳能电池和半导体是通过将原子有序且精确地一一排列而成的。如果强辐射击中它,该装置就会崩溃,导致其破裂。因此,我们故意不做有规律的,让它处于“乱七八糟”的状态。这样一来,即使受到辐射,也不会对性能造成很大的影响,因为它已经乱了。

众所周知,当半导体暴露在强辐射下时,构成半导体的原子会飞出。通常情况下,当原子飞出时,半导体就会损坏或性能恶化,但在我们开发的装置中,飞出的原子进入另一个混乱的半导体,就像要被修复一样,从而可以制造出整体难以损坏的太阳能电池。

TM──这样的想法是怎么产生的?

杉山──日本原本在太阳能电池领域占有很大份额,但现在已被中国取代。其原因在于,日本力求制造最好的产品,注重原子的精确排列,而中国则没有那么讲究,而是生产出物美价廉的产品。

所以我们想,“我们怎样才能让太阳能电池尽可能便宜?”并产生了“敢于把它们做得恰到好处”的想法。当时,我并没有打算在太空中使用它,但随着我继续研究,我意识到如果这项技术在太空中使用,它会制造出很难损坏的太阳能电池。碰巧这是一场很好的比赛。

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