Международная группа ученых предложила неожиданное, но многообещающее решение одной из главных проблем космических миссий — энергоснабжения. Речь идет о трибоэлектрических наногенераторах, или TENG (Triboelectric Nanogenerators), которые способны превращать механическое движение в электричество. Вибрации при запуске ракеты, порывы марсианского ветра или даже шаги астронавта — все это может стать источником энергии.
Исследование, выполненное специалистами Лулеоского технологического университета (Швеция), Университета Халифы (ОАЭ) и Кембриджского университета (Великобритания), представляет собой масштабный обзор самопитающихся энергетических и сенсорных решений для космических систем нового поколения. Авторы уверены: TENG могут радикально снизить зависимость аппаратов от тяжелых аккумуляторов и уязвимых солнечных панелей.
Что такое TENG и как они работают?
Трибоэлектрические наногенераторы используют хорошо известный физический эффект — трибоэлектризацию. Если сильно упростить, при контакте и трении двух разных материалов на их поверхности накапливается электрический заряд. В TENG это явление доведено до инженерного совершенства: микроскопические слои материалов преобразуют даже минимальные колебания или прикосновения в электрический ток.
Ключевое преимущество таких устройств — их конструктивная простота. Они легкие, гибкие, могут быть напечатаны на принтере, сложены или встроены прямо в конструкцию спутника или элементы скафандра. Например, компактные «энергетические патчи» без труда помещаются внутри CubeSat или вшиваются в перчатку астронавта, собирая энергию буквально из каждого движения.
Почему обычные источники энергии не справляются?
Глубокий космос — крайне недружелюбная среда для электроники. Резкие перепады температур, микрогравитация и высокие дозы радиации выводят из строя традиционные энергетические системы. Солнечные панели бесполезны вдали от Солнца или в тени, аккумуляторы тяжелы и склонны к деградации при низких температурах, а ядерные источники энергии слишком громоздки и сложны.
Именно здесь TENG показывают себя с лучшей стороны. Они не требуют света, не боятся холода и могут работать там, где классическая электроника оказывается бессильной. Более того, такие генераторы используют то, что в космосе всегда в избытке, — механические воздействия: вибрации при запуске, удары пылинок, движение конструкций и людей.
Экстремальные условия — не помеха, а преимущество
Одно из самых неожиданных открытий исследования связано с радиацией. Если для большинства электронных компонентов она губительна, то для TENG — почти союзник. Устройства, изготовленные из «космических» материалов вроде фторполимеров (PTFE) и графена, выдерживают дозы облучения до 10 кГр и давление, сопоставимое с марсианским.
Более того, интенсивное ультрафиолетовое излучение, характерное для глубокого космоса, способно увеличить плотность заряда в таких генераторах в 157 раз. То есть один из главных экологических рисков превращается в дополнительный источник энергии.
Испытания показали, что «космические стеки» TENG сохраняют стабильность при температурах выше 260 °C и теряют менее 5 % производительности даже после мощного радиационного воздействия. Для электроники это почти фантастический результат.
Где и зачем применять TENG в космосе?
Трибоэлектрические наногенераторы интересны не только как источник питания, но и как сенсорная технология. Они одновременно вырабатывают энергию и «чувствуют» окружающую среду, что позволяет сократить количество кабелей примерно на 30 %. А каждый сэкономленный килограмм массы в космосе — это огромные деньги и дополнительные возможности миссии.
Даже крошечный патч размером с крупную почтовую марку способен выдавать напряжение до 98 В от едва заметного движения. На практике такие устройства уже демонстрируют впечатляющую универсальность. В экспериментах датчики на основе TENG успешно выдержали сотню ударов марсианской пыли в имитирующей камере.
Для пилотируемых миссий разрабатываются версии на основе аэрогеля, которые можно вплетать в скафандры. Они генерируют до 135 В от обычной походки астронавта в широком диапазоне температур и при этом беспроводным образом передают биометрические данные на базу.
Применение выходит далеко за рамки энергоснабжения. Команда исследователей предложила 3D-печатные «капсулы столкновений» и так называемые «трибо-кожи», вдохновленные кошачьими лапами. Такие сенсорные покрытия позволяют роботам буквально «ощупывать» конструкции космических станций, фиксируя удары частиц массой всего 0,2 г. А за пределами орбиты TENG уже прошли арктические испытания: автономные буи успешно собирали энергию волн для питания аварийных маяков.
Несмотря на впечатляющий потенциал, технологии еще предстоит пройти путь от экспериментов к повседневному использованию в дальнем космосе. Ученые отмечают необходимость доработки радиационно-стойких композитов и применения ИИ-моделей и цифровых двойников для прогнозирования поведения устройств в реальных миссиях.
Скорее всего, будущее космической энергетики — за гибридными системами. TENG будут работать в связке с солнечными и термоэлектрическими генераторами, обеспечивая непрерывное питание для лунных баз программы Artemis и последующих экспедиций.
Обзорное исследование опубликовано в научном журнале Nano-Micro Letters и уже сейчас вызывает живой интерес у инженеров и планировщиков космических миссий.
