Солдаты солнца: солнечная энергия на службе России

Солнце – штука полезная. Когда-то люди считали его богом. Теперь мы знаем, что это огромный термоядерный реактор. Более 2000 лет назад Архимед изобрёл много хитрых механизмов и способ использования солнечных лучей для поджога вражеского флота. Теперь российские инженеры изобретают экзоскелеты и способы его электропитания при помощи Солнца. Уже через пять лет мы сможем увидеть на параде наших солдат, облачённых в «Ратники» и экзоскелеты с солнечными батареями, которые будут работать в любую погоду.

Солнце – это жизнь, свет и тепло. В конечном счёте, Солнце является источником почти всех остальных видов энергии. Но люди давно искали способ прямого использования солнечной энергии. Согласно легенде во время осады Сиракуз в 212 году до н.э. защитники города по указанию изобретателя Архимеда подожгли вражеский флот, сфокусировав на кораблях солнечные лучи при помощи отполированных до блеска медных листов и щитов. А в наше время учёные работают над способами мирного использования нашего светила. Участвуют в этом и российские специалисты.

Нагреем воду

Неизвестно, насколько достоверна легенда об Архимеде и сожжённом флоте у берегов Сиракуз, но такой метод концентрации солнечной энергии нашёл применение. При помощи зеркал солнечное излучение фокусируется на баке-испарителе с водой. Вода нагревается, превращается в пар, а пар уже вращает турбину электрогенератора, и получается электричество. Всё та же тепловая электростанция.

Недостаток такой электростанции очевиден.

Во-первых, она может работать в ограниченном числе мест на Земле, где почти круглый год ясная погода.

Во-вторых, именно в этих местах воды нужной для работы такой солнечной электростанции как раз и не хватает.

И, в-третьих, это очередное громоздкое и дорогостоящее сооружение, требующее обслуживания и ухода. А хочется чего-нибудь лёгкого и мобильного. Нужен способ прямого преобразования света в электричество.

С чего начнем?

О том, что под действием света в некоторых материалах образуется электрический ток, стало известно ещё в XIX веке. Это явление было названо фотоэффектом. В конце века профессор МГУ Александр Григорьевич Столетов систематически изучал этот эффект и сформулировал закон, носящий его имя. В 1905 году Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэффекту, за что позже получил Нобелевскую премию.

Пройдёт ещё пятьдесят лет прежде, чем фотоэффект найдёт практическое применение.

4 октября 1957 года запуск советского Спутника открыл эру освоения космоса. Радиопередатчик первого спутника работал от батарейки, но для длительной работы спутников на орбите требуется что-то более долгоиграющее.

Вот тогда конструкторы по-новому посмотрели на Солнце. Очевидно, что солнечные батареи – оптимальный источник питания для космических аппаратов.

У нас разработкой солнечных батарей занимался Ленинградский физико-технический институт, который добился в этом деле больших успехов. Основу успеха заложили работы тогда ещё будущего нобелевского лауреата Жореса Алфёрова. С началом 90-х работы по солнечной энергетике в Физтехе фактически прекратились. Но трудные времена прошли, и физтеховцы взялись за старое.

И что получилось?

Основой солнечной энергетики является кремний. Раньше его наносили методом плазмохимического напыления на стеклянные пластины. Понятно, что такие солнечные панели тяжелы, громоздки и хрупки. Кроме того, использование кристаллического кремния позволяет использовать лишь небольшую долю света для преобразования в электричество – всего 10% максимум.

В Физтехе научились делать гибкие плёнки с использованием наноструктурированного кремния. Они уже способны преобразовывать в электричество 22% света. При этом они работают не только под прямыми солнечными лучами, но и в рассеянном свете при пасмурной погоде. Даже в ясную лунную ночь они будут вырабатывать электричество. Санкт-Петербург, где находится институт, – идеальное место для тестирования этих новых преобразователей солнечной энергии.

В шаге от промышленного производства

Насколько быстро можно будет довести эту научную разработку до промышленного производства? Очень быстро. В самом институте установлена опытная линия, на которой можно отработать весь технологический процесс получения готового изделия и отдавать производственникам уже протестированный «рецепт». В феврале этого года в Новочебоксарске был запущен в эксплуатацию первый в России завод полного цикла по производству солнечных батарей. Вот с этим заводом питерский Физтех и сотрудничает.

Электропитание для «Ратника»

Тонкоплёночные солнечные батареи, разработанные в Санкт-Петербурге, могут найти самое разнообразное применение. Наверное, они будут очень интересны оборонной промышленности.

В комплект боевой экипировки военнослужащего «Ратник» входят разные электроприборы: система управления «Стрелец», коммуникатор, видеосистема для стрельбы из укрытия, набор тепловизионных прицелов для ведения боя ночью и в условиях плохой видимости, система определения «свой-чужой» и активные наушники.

Всё это электрохозяйство питается от переносной аккумуляторной батареи с ресурсом 12-14 часов активной работы. Аккумуляторная батарея в защитном корпусе – это ещё несколько килограммов веса на бойце. Всё это снижает мобильность бойца и делает его зависимым от источников тока для подзарядки аккумуляторов.

Тонкоплёночные солнечные батареи решат эту задачу. Они могут быть использованы и как первичные источники питания, и для подзарядки всё тех же аккумуляторов в зависимости от погоды. Толщина плёнки – всего 7 микрометров. Её можно нанести на ранец, каску и бронежилет бойца. Можно сделать палатки, покрытые этой плёнкой. Такая палатка будет служить источником питания.

Экзоскелеты

Это то, что уже можно делать прямо сейчас. Но к 2020 году планируется наладить производство экзоскелетов для наших солдат. И это не научная фантастика. Осенью прошлого года на форуме «Дни робототехники в Сочи» компания «Экзороботикс», являющаяся проектом «Сколково», впервые продемонстрировала медицинский экзоскелет. Опять же вопрос электропитания для этого устройства – один из ключевых. Аккумуляторы и суперконденсаторы имеют ограниченный заряд. Плёночные солнечные батареи – это идеальное решение для экзоскелета.

Крым

Но если мы вернёмся к мирным делам, то солнечные электростанции на основе новой питерской разработки будут очень востребованы в Крыму. Если уж в вечно пасмурном Питере они работают (на крыше Физтеха установлены солнечные батареи, экономящие институту плату за электричество), то в солнечном Крыму, как говорится, сам Бог велел использовать энергию Солнца.

А в целом по России планируется через пять лет ввести в строй полтора гигаватта солнечных электростанций.

Сергей Черкасов