W erze, gdy przemysł kosmiczny doświadcza bezprecedensowej ekspansji, a liczba satelitów na orbicie rośnie w postępie wykładniczym, kwestia zrównoważonego rozwoju technologii kosmicznych przestaje być tylko futurystyczną koncepcją i staje się koniecznością. Podczas gdy wzrok opinii publicznej często kieruje się na spektakularne starty rakiet, prawdziwa rewolucja odbywa się w ciszy laboratoriów, na mikroskopowym poziomie komponentów, które utrzymują te satelity przy życiu. W centrum tej cichej rewolucji znajduje się kluczowy element każdego systemu kosmicznego – ogniwo słoneczne.

Od dziesięcioleci wysokowydajne wielozłączowe ogniwa słoneczne III-V (multi-junction) stanowią złoty standard zasilania satelitów. Ich doskonała wydajność i nadzwyczajna odporność na ekstremalne warunki promieniowania w kosmosie czynią je niezastąpionymi. Jednak za tymi osiągami kryje się "brudna" tajemnica: ich produkcja jest niezwykle zasobochłonna, energochłonna i generuje znaczne ilości odpadów chemicznych. Taka praktyka stoi w bezpośrednim konflikcie z nowymi, ambitnymi celami inicjatywy "Green Space" i ogólnym trendem zrównoważonego rozwoju w technologii.

W odpowiedzi na to wyzwanie, zespół ekspertów z niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE, przy silnym wsparciu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) poprzez jej program "Discovery & Preparation", opracowuje innowacyjne podejście do mikrofabrykacji. Ich cel jest radykalny: zastąpić tradycyjne, kosztowne procesy nową metodą "mask-and-plate", która obiecuje transformację sposobu, w jaki produkujemy energię dla kosmosu.

Dominacja technologii III-V i jej cena

Już od późnych lat 90. ogniwa fotowoltaiczne oparte na półprzewodnikach III-V suwerennie rządzą sektorem kosmicznym. W przeciwieństwie do paneli krzemowych, które widzimy na dachach domów, te ogniwa wykorzystują złożone kombinacje pierwiastków z trzeciej i piątej grupy układu okresowego pierwiastków. Powód ich dominacji leży w fizyce: są zdolne do przekształcenia znacznie większego procentu światła słonecznego w energię elektryczną i, co jeszcze ważniejsze, mogą przetrwać bombardowanie wysokoenergetycznymi cząstkami na orbicie bez drastycznej utraty wydajności.

Urządzenia te są produkowane w procesie epitaksji – precyzyjnego wzrostu niezwykle cienkich warstw półprzewodnikowych na podłożu z germanu (Ge). Wyobraźcie to sobie jako układanie warstw tortu na poziomie atomowym, gdzie każda warstwa musi być idealna. Po wzroście warstw następuje faza produkcji samych ogniw. Chociaż to podejście jest technologicznie dojrzałe i kompatybilne z surowymi warunkami próżni i ekstremalnych temperatur, niesie ono wysoką cenę, nie tylko finansową, ale i ekologiczną.

Intensywne zużycie zasobów wynika z trzech kluczowych czynników, które są głęboko zakorzenione w dzisiejszej praktyce przemysłowej:

• Zależność od germanu: Podłoża z germanu są rzadkie i drogie, a ich obróbka wymaga znacznej energii.


• Wzrost epitaksjalny: Sam proces tworzenia warstw zużywa ogromne ilości energii, aby utrzymać wymagane warunki wysokich temperatur i próżni.


• Mikrofabrykacja: Wykończenie obejmuje fotolitografię i naparowywanie metali (metal evaporation). Te kroki są wąskimi gardłami produkcji – są powolne, drogie i nieefektywne energetycznie.

Wyzwanie: Jak pogodzić wydajność i zrównoważony rozwój?

Podczas gdy na Ziemi produkcja krzemowych ogniw słonecznych rozwinęła się w wysoce zoptymalizowany przemysł, który dba o wykorzystanie materiałów, procesy te nie mogą być po prostu skopiowane dla potrzeb kosmicznych. Materiały i techniki, które funkcjonują w łagodnych warunkach na Ziemi, często zawiodłyby w bezlitosnym środowisku kosmosu, gdzie panują drastyczne wahania temperatury i promieniowanie kosmiczne. Dlatego samo dostosowanie ziemskich technologii nie jest opcją.

Naukowcy osiągnęli już pewien postęp w dziedzinie ponownego wykorzystania podłoży i bardziej efektywnych procesów epitaksjalnych. Jednak trzeci filar – mikrofabrykacja – pozostał w dużej mierze nietknięty innowacjami, aż do teraz. Tradycyjna fotolitografia, proces przenoszenia wzorów geometrycznych na podłoże za pomocą światła, wymaga użycia fotorezystów, wywoływaczy i rozpuszczalników, tworząc toksyczne odpady ciekłe.

Właśnie tutaj wkracza zespół z instytutu Fraunhofer ISE z rewolucyjnym pomysłem, który został pierwotnie zgłoszony przez kanał ESA "Open Discovery Ideas Channel" (OSIP). Ich rozwiązanie, nazwane "AlternateSpace", ma potencjał zredefiniować standardy przemysłowe.

Druk atramentowy: Od biurowych drukarek do kosmicznych laboratoriów

Sedno innowacji leży w porzuceniu fotolitografii na rzecz technologii, którą większość z nas kojarzy z drukowaniem dokumentów lub zdjęć – druku atramentowego (inkjet). Jednak tutaj nie chodzi o zwykły tusz. Zespół badawczy opracował metodę, która wykorzystuje specjalistyczne tusze (hotmelt inks) jako maskę do dalszej obróbki.

To podejście, znane jako "mask-and-plate", przynosi szereg kluczowych korzyści, które bezpośrednio adresują problemy zrównoważonego rozwoju:

Przede wszystkim, wykorzystanie tuszów "termotopliwych" (hotmelt inks) eliminuje potrzebę stosowania toksycznych i fotoaktywnych materiałów, które są nieuniknione w fotolitografii. Tusz jest nanoszony bezpośrednio na powierzchnię ogniwa w precyzyjnie kontrolowanym wzorze. Ponieważ jest to proces addytywny – materiał dodaje się tylko tam, gdzie jest potrzebny – drastycznie zmniejsza się ilość odpadów.

Ponadto, ta metoda usuwa potrzebę kroków mokrego wywoływania chemicznego (wet-chemical development). W klasycznej produkcji, po naświetleniu fotorezystu, konieczne jest chemiczne usunięcie niepotrzebnych części, co tworzy znaczne ilości niebezpiecznych odpadów. Druk atramentowy po prostu pomija ten krok, znacząco upraszczając łańcuch produkcyjny i zmniejszając ślad ekologiczny fabryki.

Rewolucja w metalizacji: Galwanizacja zamiast naparowywania

Drugi kluczowy element tej innowacji odnosi się do sposobu, w jaki tworzone są metalowe kontakty na ogniwie słonecznym. W konwencjonalnym procesie wykorzystuje się naparowywanie metalu w próżni, proces, który zużywa dużo energii i materiałów, ponieważ metal osadza się na całej powierzchni, a następnie nadmiar jest usuwany (proces lift-off).

Nowe podejście Fraunhofer ISE zastępuje naparowywanie procesem galwanizacji (electroplating). Tutaj metal osadza się drogą elektrochemiczną wyłącznie na obszarach, gdzie materiał półprzewodnikowy nie jest pokryty tuszem. Oznacza to, że nie ma marnowania metali szlachetnych i nie ma potrzeby późniejszego usuwania nadmiaru materiału.

Jednak droga do tego rozwiązania nie była prosta. Wymagała obszernej optymalizacji każdego parametru. Naukowcy musieli testować różne rodzaje tuszów i dostosowywać zmienne takie jak rozdzielczość druku i temperatura, aby osiągnąć niezawodne, mikroskopijnie małe otwory na kontakty. Kompatybilność chemiczna maski była punktem krytycznym; musiała ona wytrzymać różne elektrolity, temperatury i wartości pH podczas procesu galwanizacji bez degradacji.

Poszukiwanie idealnego metalu: Nikiel-Fosfor

Szczególne wyzwanie stanowiła sama metalizacja. Dla zastosowań kosmicznych materiały nie mogą być ferromagnetyczne, ponieważ mogłyby interferować z polem magnetycznym Ziemi (lub innych ciał) i powodować niepożądane rotacje lub zakłócenia w nawigacji satelity. Standardowy nikiel, który jest często używany w elektronice, jest materiałem magnetycznym.

Zespół zatem zbadał i z powodzeniem zaimplementował nikiel-fosfor (NiP) jako nieferromagnetyczną alternatywę. Ten materiał służy jako bariera i warstwa adhezyjna. Ostateczny projekt wzoru obejmuje przednie kontakty ze srebra naniesione na warstwę niklowo-fosforową. Testy wykazały, że ta kombinacja jest nie tylko elektrycznie efektywna, ale także w pełni kompatybilna z ekstremalnymi wymaganiami środowiska kosmicznego.

Oczekiwane wyniki i spojrzenie w przyszłość

Po zdefiniowaniu całkowitej trasy procesowej, która integruje wszystkie nowo opracowane kroki – od druku atramentowego maski do selektywnej galwanizacji – projekt wchodzi w końcową fazę demonstracji. Według zapowiedzi zespołu, w pełni funkcjonalne ogniwo fotowoltaiczne wyprodukowane bez fotolitografii, z metalowymi kontaktami naniesionymi galwanizacją kompatybilną dla kosmosu, jest oczekiwane jako korona tego cyklu badawczego.

Ten przełom technologiczny przychodzi w kluczowym momencie, dzisiaj, 05 grudnia 2025 roku, kiedy przemysł kosmiczny znajduje się pod coraz większą presją, by zmniejszyć koszty i zwiększyć zrównoważony rozwój. Masowe konstelacje satelitów na niskiej orbicie wymagają tysięcy paneli słonecznych, a obecne moce produkcyjne i koszty stanowią wąskie gardło.

Oliver Höhn, kierownik grupy ds. technologii półprzewodników III-V w instytucie Fraunhofer ISE, podkreśla wagę tego osiągnięcia: "Poprzez zastąpienie fotolitografii i naparowywania metali skalowalnym drukiem atramentowym i galwanizacją, Fraunhofer ISE demonstruje uproszczony proces ze znacznie zredukowanymi odpadami chemicznymi. To podejście jest zgodne z celami zrównoważonego rozwoju 'zielonego kosmosu' i redukcji kosztów. Po pomyślnej demonstracji tego podejścia, naszym celem jest współpraca z przemysłem, aby dalej rozwijać, stabilizować i ostatecznie skalować proces w kierunku realizacji przemysłowej."

Podobny optymizm podziela Erminio Greco, inżynier ds. generatorów słonecznych w Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA): "Ta praca oznacza kluczowy krok w kierunku opłacalnej, zrównoważonej i wydajnej technologii ogniw słonecznych III-V. Toruje ona drogę dla skalowalnej i ekonomicznie opłacalnej trasy produkcyjnej dla następnej generacji fotowoltaiki kosmicznej. Wyniki działalności podkreślają kluczową rolę programu ESA Discovery & Preparation w generowaniu nowych pomysłów, które mogą pobudzić rozwój przyszłych technologii kosmicznych."

Szerszy kontekst: Zielony Kosmos (Green Space)

Projekt "AlternateSpace" nie jest izolowanym incydentem innowacji, ale częścią szerszej strategii. Inicjatywa "Clean Space" Europejskiej Agencji Kosmicznej już od lat pracuje nad oceną wpływu misji kosmicznych na środowisko, zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie. Wprowadzenie technologii, które zmniejszają ślad energetyczny produkcji komponentów, bezpośrednio przyczynia się do tych celów.

Przejście na druk atramentowy i galwanizację mogłoby zmniejszyć zużycie energii w produkcji ogniw słonecznych o znaczny procent, podczas gdy eliminacja toksycznych chemikaliów ułatwiłaby dostosowanie się do rygorystycznych regulacji ekologicznych UE, takich jak rozporządzenie REACH. Oprócz korzyści ekologicznych, rachunek ekonomiczny jest jasny: tańsza produkcja oznacza tańsze satelity, co ostatecznie umożliwia bardziej przystępne usługi kosmiczne, od internetu i komunikacji po obserwację Ziemi i monitorowanie zmian klimatycznych.

W świecie, gdzie zasoby muszą być wykorzystywane coraz mądrzej, technologia, która łączy precyzję niemieckiej inżynierii z wizją zrównoważonego kosmosu pokazuje, że możliwe jest sięgnięcie gwiazd bez niszczenia planety, z której startujemy. Fraunhofer ISE i ESA tym projektem udowadniają, że przyszłość energii kosmicznej leży nie tylko w większej efektywności, ale także w mądrzejszej, czystszej i bardziej odpowiedzialnej produkcji.