U eri kada svemirska industrija doživljava neviđenu ekspanziju, a broj satelita u orbiti raste eksponencijalnom brzinom, pitanje održivosti svemirskih tehnologija prestaje biti samo futuristički koncept i postaje nužnost. Dok se pogledi javnosti često usmjeravaju na spektakularna lansiranja raketa, prava revolucija odvija se u tišini laboratorija, na mikroskopskoj razini komponenti koje te satelite drže na životu. U središtu te tihe revolucije nalazi se ključna komponenta svakog svemirskog sustava – solarna ćelija.

Već desetljećima, visoko učinkovite III-V višeslojne (multi-junction) solarne ćelije predstavljaju zlatni standard za napajanje satelita. Njihova superiorna efikasnost i izvanredna otpornost na ekstremne uvjete radijacije u svemiru čine ih nezamjenjivima. Međutim, iza tih performansi krije se "prljava" tajna: njihova proizvodnja je iznimno resursno zahtjevna, energetski intenzivna i generira značajne količine kemijskog otpada. Takva praksa dolazi u izravan sukob s novim, ambicioznim ciljevima inicijative "Green Space" i općim trendom održivosti u tehnologiji.

Kao odgovor na ovaj izazov, tim stručnjaka iz njemačkog instituta Fraunhofer ISE, uz snažnu potporu Europske svemirske agencije (ESA) kroz njezin program "Discovery & Preparation", razvija inovativni pristup mikrofabrikaciji. Njihov cilj je radikalan: zamijeniti tradicionalne, skupe procese novom metodom "mask-and-plate" koja obećava transformaciju načina na koji proizvodimo energiju za svemir.

Dominacija III-V tehnologije i njezina cijena

Još od kasnih 1990-ih godina, fotonaponske ćelije temeljene na III-V poluvodičima suvereno vladaju svemirskim sektorom. Za razliku od silicijskih panela koje viđamo na krovovima kuća, ove ćelije koriste složene kombinacije elemenata iz treće i pete skupine periodnog sustava elemenata. Razlog njihove dominacije leži u fizici: sposobne su pretvoriti znatno veći postotak sunčeve svjetlosti u električnu energiju i, što je još važnije, mogu preživjeti bombardiranje visokoenergetskim česticama u orbiti bez drastičnog gubitka performansi.

Ovi uređaji se proizvode procesom epitaksije – preciznim rastom iznimno tankih poluvodičkih slojeva na supstratu od germanija (Ge). Zamislite to kao slaganje slojeva torte na atomskoj razini, gdje svaki sloj mora biti savršen. Nakon rasta slojeva, slijedi faza proizvodnje samih ćelija. Iako je ovaj pristup tehnološki zreo i kompatibilan sa surovim uvjetima vakuuma i ekstremnih temperatura, on nosi visoku cijenu, ne samo financijsku, već i ekološku.

Intenzivna potrošnja resursa proizlazi iz tri ključna faktora koja su duboko ukorijenjena u današnju industrijsku praksu:

• Ovisnost o germaniju: Supstrati od germanija su rijetki i skupi, a njihova obrada zahtijeva značajnu energiju.


• Epitaksijalni rast: Sam proces stvaranja slojeva troši goleme količine energije kako bi se održali potrebni uvjeti visokih temperatura i vakuuma.


• Mikrofabrikacija: Završna obrada uključuje fotolitografiju i isparavanje metala (metal evaporation). Ovi koraci su uska grla proizvodnje – spori su, skupi i energetski neefikasni.

Izazov: Kako pomiriti učinkovitost i održivost?

Dok se na Zemlji proizvodnja silicijskih solarnih ćelija razvila u visoko optimiziranu industriju koja pazi na iskoristivost materijala, ti se procesi ne mogu jednostavno kopirati za svemirske potrebe. Materijali i tehnike koje funkcioniraju u blagim uvjetima na Zemlji često bi zakazali u nemilosrdnom okruženju svemira, gdje vladaju drastične temperaturne oscilacije i kozmičko zračenje. Stoga, puka prilagodba zemaljskih tehnologija nije opcija.

Istraživači su već postigli određeni napredak u području ponovne upotrebe supstrata i efikasnijih epitaksijalnih procesa. Međutim, treći stup – mikrofabrikacija – ostao je uglavnom netaknut inovacijama, sve do sada. Tradicionalna fotolitografija, proces prenošenja geometrijskih uzoraka na podlogu pomoću svjetlosti, zahtijeva korištenje fotorezista, razvijača i otapala, stvarajući toksični tekući otpad.

Upravo ovdje nastupa tim iz Fraunhofer ISE instituta s revolucionarnom idejom koja je prvotno prijavljena putem ESA-inog kanala "Open Discovery Ideas Channel" (OSIP). Njihovo rješenje, nazvano "AlternateSpace", ima potencijal redefinirati industrijske standarde.

Inkjet ispis: Od uredskih pisača do svemirskih laboratorija

Srž inovacije leži u napuštanju fotolitografije u korist tehnologije koju većina nas povezuje s ispisom dokumenata ili fotografija – inkjet ispisa. No, ovdje nije riječ o običnoj tinti. Istraživački tim razvio je metodu koja koristi specijalizirane tinte (hotmelt inks) kao masku za daljnju obradu.

Ovaj pristup, poznat kao "mask-and-plate", donosi niz ključnih prednosti koje izravno adresiraju probleme održivosti:

Prvenstveno, korištenje "vruće taljivih" tinti (hotmelt inks) eliminira potrebu za toksičnim i fotoaktivnim materijalima koji su neizbježni u fotolitografiji. Tinta se nanosi izravno na površinu ćelije u precizno kontroliranom uzorku. Budući da se radi o aditivnom procesu – materijal se dodaje samo tamo gdje je potreban – drastično se smanjuje količina otpada.

Nadalje, ova metoda uklanja potrebu za koracima mokrog kemijskog razvijanja (wet-chemical development). U klasičnoj proizvodnji, nakon osvjetljavanja fotorezista, potrebno je kemijski ukloniti nepotrebne dijelove, što stvara značajne količine opasnog otpada. Inkjet ispis jednostavno preskače taj korak, značajno pojednostavljujući proizvodni lanac i smanjujući ekološki otisak tvornice.

Revolucija u metalizaciji: Galvanizacija umjesto isparavanja

Drugi ključni element ove inovacije odnosi se na način na koji se stvaraju metalni kontakti na solarnoj ćeliji. U konvencionalnom procesu koristi se isparavanje metala u vakuumu, proces koji troši puno energije i materijala jer se metal taloži po cijeloj površini, a zatim se višak uklanja (lift-off proces).

Novi pristup Fraunhofer ISE-a zamjenjuje isparavanje procesom galvanizacije (electroplating). Ovdje se metal taloži elektrokemijskim putem isključivo na područjima gdje poluvodički materijal nije prekriven tintom. To znači da nema bacanja plemenitih metala i nema potrebe za naknadnim uklanjanjem viška materijala.

Međutim, put do ovog rješenja nije bio jednostavan. Zahtijevao je opsežnu optimizaciju svakog parametra. Istraživači su morali testirati različite vrste tinti i prilagođavati varijable poput rezolucije ispisa i temperature kako bi postigli pouzdane, mikroskopski male otvore za kontakte. Kemijska kompatibilnost maske bila je kritična točka; morala je izdržati različite elektrolite, temperature i pH vrijednosti tijekom procesa galvanizacije bez degradacije.

Potraga za savršenim metalom: Nikal-fosfor

Poseban izazov predstavljala je sama metalizacija. Za svemirske primjene, materijali ne smiju biti feromagnetski jer bi mogli interferirati s magnetskim poljem Zemlje (ili drugih tijela) i uzrokovati neželjene rotacije ili smetnje u navigaciji satelita. Standardni nikal, koji se često koristi u elektronici, je magnetski materijal.

Tim je stoga istražio i uspješno implementirao nikal-fosfor (NiP) kao ne-feromagnetsku alternativu. Ovaj materijal služi kao barijera i adhezivni sloj. Konačni dizajn uzorka uključuje prednje kontakte od srebra nanesene na sloj nikal-fosfora. Testiranja su pokazala da je ova kombinacija ne samo električki učinkovita, već i potpuno kompatibilna s ekstremnim zahtjevima svemirskog okruženja.

Očekivani rezultati i pogled u budućnost

Nakon definiranja cjelovite procesne rute koja integrira sve novorazvijene korake – od inkjet ispisa maske do selektivne galvanizacije – projekt ulazi u završnu fazu demonstracije. Prema najavama tima, potpuno funkcionalna fotonaponska ćelija proizvedena bez fotolitografije, s metalnim kontaktima nanesenim galvanizacijom kompatibilnom za svemir, očekuje se kao kruna ovog istraživačkog ciklusa.

Ovaj tehnološki proboj dolazi u ključnom trenutku, danas, 05. prosinca 2025., kada se svemirska industrija nalazi pod sve većim pritiskom da smanji troškove i poveća održivost. Masovne konstelacije satelita u niskoj orbiti zahtijevaju tisuće solarnih panela, a trenutni proizvodni kapaciteti i troškovi predstavljaju usko grlo.

Oliver Höhn, voditelj grupe za tehnologiju III-V poluvodiča na institutu Fraunhofer ISE, naglašava važnost ovog postignuća: "Zamjenom fotolitografije i isparavanja metala skalabilnim inkjet ispisom i galvanizacijom, Fraunhofer ISE demonstrira pojednostavljeni proces sa značajno smanjenim kemijskim otpadom. Ovaj pristup usklađen je s ciljevima održivosti 'zelenog svemira' i smanjenja troškova. Nakon uspješne demonstracije ovog pristupa, cilj nam je suradnja s industrijom kako bismo dalje razvili, stabilizirali i konačno skalirali proces prema industrijskoj realizaciji."

Sličan optimizam dijeli i Erminio Greco, inženjer za solarne generatore pri Europskoj svemirskoj agenciji (ESA): "Ovaj rad označava ključni korak prema isplativoj, održivoj i učinkovitoj tehnologiji III-V solarnih ćelija. On utire put skalabilnoj i ekonomski isplativoj proizvodnoj ruti za sljedeću generaciju svemirske fotonapona. Rezultati aktivnosti ističu ključnu ulogu ESA-inog programa Discovery & Preparation u generiranju novih ideja koje mogu potaknuti razvoj budućih svemirskih tehnologija."

Širi kontekst: Zeleni svemir (Green Space)

Projekt "AlternateSpace" nije izolirani incident inovacije, već dio šire strategije. Inicijativa "Clean Space" Europske svemirske agencije već godinama radi na procjeni utjecaja svemirskih misija na okoliš, kako na Zemlji, tako i u svemiru. Uvođenje tehnologija koje smanjuju energetski otisak proizvodnje komponenti izravno doprinosi ovim ciljevima.

Prijelaz na inkjet ispis i galvanizaciju mogao bi smanjiti potrošnju energije u proizvodnji solarnih ćelija za značajan postotak, dok bi eliminacija toksičnih kemikalija olakšala usklađivanje s strogim ekološkim regulativama EU, poput REACH uredbe. Osim ekoloških benefita, ekonomska računica je jasna: jeftinija proizvodnja znači jeftinije satelite, što u konačnici omogućuje pristupačnije svemirske usluge, od interneta i komunikacija do promatranja Zemlje i praćenja klimatskih promjena.

U svijetu gdje se resursi moraju koristiti sve pametnije, tehnologija koja spaja preciznost njemačkog inženjeringa s vizijom održivog svemira pokazuje da je moguće dosegnuti zvijezde bez da uništimo planet s kojeg polazimo. Fraunhofer ISE i ESA ovim projektom dokazuju da budućnost svemirske energije nije samo u većoj efikasnosti, već i u pametnijoj, čišćoj i odgovornijoj proizvodnji.