Kas Kuul on elu? Jah, varsti – Eesti teadlaste kaasabiga!

Kuule alalise uurimisjaama rajamise võtmeküsimus on selle varustamine piisava hulga energiaga. Üks arvestatavamaid elektritootmise viise on kasutada ilma segava atmosfäärita taevakehal päikesepatareisid. Eesti teadlane, Tallinna Tehnikaülikooli doktorant Katriin Kristmann uurib võimalusi, kuidas toota päikesepaneele Kuul ja pealegi veel kohapealsest materjalist. Kirjutab Ants Vill.

Kuu koloniseerimine on olnud paljude inimpõlvede unistus. Selles suunas hakati liikuma alates 1969. aasta juulist, kui esimese sammu Kuu pinnal astus USA kosmoseagentuuri NASA uurimislaevaga Apollo 11 maandunud Neil Armstrong. Kui vahepeal on Kuu-plaanidega olnud teatav „ikaldus”, siis viimastel aastatel on see Maa lähim taevakeha taas tõsiselt sihikule võetud. NASA ja Euroopa kosmoseagentuur (ESA) plaanivad lähiaastatel Kuule alaliselt mehitatud uurimisjaama rajada. Üks Eesti-poolne projektis osaleja on Katriin Kristmann (26), kes on seotud ka tudengisatelliidiprojektiga ESTCube-2.

Edasi, lõunapoolusele!

NASA ja ESA ühisprojektis Artemis on plaanis esmalt meeskonnata proovilend ja seejärel mehitatud Kuu-lennud. Samuti luuakse Kuu ümber tiirlev mehitatud orbitaaljaam kui vallutamise vahebaas ja Kuu pinnale alaliselt tegutsev uurimisjaam. Jah, just selline, nagu oleme arvukates ulmefilmides näinud: kuplid – kasvuhooned, skafandrites inimesed. Ja päikesepatareid, et kogu kompleksi piisava hulga elektrienergiaga varustada.

Teadlased on valinud baasi asukohaks lõunapooluse, sest põhjalike uuringutega on tuvastatud mitu õnnelikku kokkulangevust. Lõunapoolusel asuva Shackletoni kraatri (nime saanud Antarktika ühe tähtsama uurija Ernest Shackletoni (1874–1922) järgi) kõrged nõlvad on päikese käes 80–90 protsenti ajast. See on Kuujaama jaoks väga sobiv, kuna temperatuur ei kõigu niivõrd palju, samuti saab sinna rajada väga efektiivse päikesepaneelide pargi. 21-kilomeetrise läbimõõduga kraatri põhi on aga 4,5 kilomeetri sügavusel ja kuna päikesekiired ei ulatu (erinevalt teistest Kuu kraatritest) sinna kunagi, on temperatuur seal püsivalt madal. Ka saaks sinna paigutada näiteks infrapunateleskoobi, mida Päike ei segaks. Mis aga kõige olulisem, uurimised on näidanud, et kraatri põhjas on suured jäätunud vee varud. Veest aga saab toota elektrolüüsiga hapnikku.

Päike on meie sõber

„Baasi varustamiseks on hinnanguliselt vaja umbes poole jalgpalliväljaku suurust päikesepaneelide parki. Maa mastaapides pole seda palju. Kuu mastaapides hoopiski mitte, seal ju ruumi vabalt käes. Mis aga on suur probleem: sellise koguse paneelide Maalt kohaletoimetamine on üsna utoopiline. Kosmoselaevades pole selleks ruumi, kuna iga gramm, kilodest rääkimata, on arvel. Ja see läheks ka lõpmata kulukaks. Nii ongi püstitatud ülesanne – leida materjalid ja tehnoloogiad, et toota päikesepaneele Kuu peal sealsetest materjalidest. See ongi minu ja meie väikese töörühma ülesanne,” ütles doktorant Kristmann, kelle kodulabor on Tallinna Tehnikaülikoolis materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudis.

„Materjal tuleb leida kohapealt, Kuu pinnasest ehk regoliidist. Analüüsid näitavad, et selles leidub rohkelt Maalgi esinevat raua ja väävli ühendit troiliiti (FeS). Sellest plaanime toota kristallilist püriiti (FeS₂), mis meil eksisteerib maagina ja on tuntud rohkem kassikullana,” selgitas Kristmann.

„Oleme jõudnud stardist juba üsna kaugele. Alustuseks tuli välja valida potentsiaalne materjal, püriit on tõeliselt paljulubav. Selle valiku tegin koos oma doktoritöö juhendaja Taavi Raadikuga, idee pole kuskilt nopitud ega laenatud. See oligi minu uurimistöö esimene ülesanne – valida kõikidest võimalikest materjalidest välja sobivaim – selline, millest saaks päikeseelemente toota Kuul kohapeal,” meenutas doktorant.

Nii saigi otsustatud. Regoliit on planeedi kattekiht, mida esineb ka Maal, kuid Kuul on see sootuks teise koostisega. Kuu regoliidis, mis on moodustunud kaljusele aluspõhjale erosiooni ja kosmiliste kehade langemise teel, esineb palju rauaühendeid, eriti raudoksiide ja raudmonosulfiidi ehk troiliiti. Sellest saab väävli lisamisel moodustada FeS₂ ehk rauddisulfiidi, see ongi kristalliline aine püriit.

„On ka muid materjale, aga meie jäime püriidi juurde. Ränist me päikesepatareide vaates eriti enam ei räägi, see on väga läbiuuritud materjal, saanud n-ö küpseks, täiskasvanuks. Valik langes püriidi kasuks, kuna see on päikeseelementide jaoks mitmel põhjusel oluliselt parem kui räni. Näiteks on püriidi valguse neeldumise koefitsient suurusjärgu võrra ehk 10 korda suurem. Nii on võimalik protsessist ilmselgelt rohkem energiat kätte saada,” põhjendas Kristmann.

„Püriidi kasutamisel on teoreetiliselt võimalik saavutada ca 25-protsendiline efektiivsus. Praegused, peamiselt ränipõhised kommertskasutuses elemendid on ligi 20 protsenti efektiivsed. Sealt edasi tuleb hakata kasutama juba mitme ülemineku ehk siirdega elemente, neid on aga tunduvalt kallim valmistada. Need mitmiksiirdelised, mitmekihilised elemendid seetõttu näiteks kommertskasutusse ei sobi,” lisas ta.

„Meie suund on püriidi kasutamine ühesiirdelises elemendis. Materjal on odav ja selle töötlemine päikeseelemendiks on nii ka lihtsam, soodne ja vähem energiamahukas.”

Päikeseelemendi ehituses kasutatakse end juba tõestanud, samas tehnikaülikooli laboris välja arendatud monoterapulbriga päikeseelemendi tehnoloogiat, kus epoksiidkihile kantakse õhuke, kõigest ühe kristalli paksune valgustundlik püriidikiht ehk monoterakiht.

Välimuselt poolläbipaistvat liivapaberit meenutava päikesepatarei moodustavad tuhanded kristallid läbimõõduga ca 50 mikromeetrit. Mikrokristallid on valguse absorbeerimismaterjaliks, mis kaetakse dioodi tekitamiseks vajaliku siirde moodustamiseks puhverkihiga ja lõpuks läbipaistva aknakihiga. Nii töötab iga selline kristall kui individuaalne väike päikeseelement. Materjalikulu on väiksem ning töö tootlikkus märgatavalt suurem.

Teel täiustamisele

„See praegune, 50 mikromeetrit tera suuruseks, on esialgne lähenemine. Juba nüüd on mul tekkimas veendumus, et terade ehk siis püriidikristallide suurus peaks efektiivsuse huvides olema veidi suurem. Nii ma teengi katseid. Esialgu on kasutatav tehnoloogia mõneti erinev sellest, mis võiks Kuul rakendamist leida. Põhjusi on kaks – on vaja kõigepealt leida õige kristallisuurus ja Maa tingimused on teised kui Kuul. Eelkõige saab seal kasutada kohapealset vaakumi. Raskusjõu erinevus Maal ja Kuul ei peaks samas kristallide kasvamist eriti mõjutama,” selgitas Kristmann.

„Aga praegu on uurimisel kasutatav tehnoloogia väga lihtne. Võtan peenestatud raudsulfiidi ja paigutan selle koos väävliga kinnijoodetud kvartsklaasist ampulli, kust on eelnevalt õhk ja ka veeaur välja pumbatud, et need ei saaks reaktsioonis osaleda. Seejärel kuumutan ampulli elektriahjus kõrge, 700-kraadise temperatuurini. Väävli ja raudmonosulfiidi ühinemisreaktsiooni tulemusel hakkavad tekkima rauddisulfiidi- ehk püriidikristallid, mis hakkavad kasvama. Kuumutamine kristallide kasvatamise eesmärgil kestab nädala. See on puhas reaktsioon ja mingeid lisaaineid peale püriidi me ei saa. Aga sellise protsessi tulemuseks oleks püriidiklomp. Monoterakihi jaoks sobivate kristallide tekkeks tuleb keskkonda lisada veel sulandajat, milles need kristallid saavad kasvama hakata. Pärast süntees-kasvatust pole muud vaja, kui eraldada kristallid sulandajast. Mida kauem kuumutamine kestab, seda suuremaks kasvavad kristallid,” selgitas Kristmann.

„Sellist protsessi on võimalik ka tööstuslikus mastaabis rakendada, nagu oleme laboris väljatöötatud kesteriitide puhul näinud siinsamas tegutsevas päikeseelemente tootvas ettevõttes Crystalsol. Aine kulu pole eriti suur, ühest katseampullist praegu saadava umbes näpuotsatäiega saab valmistada täiesti arvestatava suurusega tüki päikesepatareid,” näitas Kristmann, arvutades samas välja, et ruutmeetrise patarei jaoks on püriiti vaja täpselt 250 grammi.

„Minu kirjeldatud protsess pole keemiliselt eriti keeruline, selle jaoks on piisav põhikooli keemiatunnist saadud oskus molekulaarmasside arvutamiseks ja reaktsioonivõrrandite tasakaalustamiseks. Tooraine hankimine ja valik on aga geoloogia valdkonda kuuluv tegevus. Kuu pinnal kasutatakse muidugi sealset pinnast, millest eraldatakse vajalik mineraal,” märkis Kristmann.

„Olen ka ise mõelnud, et kui põhi- või siis keskkoolis kirjutasime reaktsioonivõrrandeid ja arvutusülesandeid, tundus see nii elukauge. Aga mõelda – nüüd teen seda iga päev ja need oskused on igapäevaselt vajalikud. Siis saangi materjali, mida on vaja ja mis lõpuks toodab elektrit! Lõpuks ongi kuidagi iseenesest selgunud, miks seda kõike oli vaja kunagi õppida. Olen pidanud muidugi ka pooljuhttehnoloogiat õppima. Püriidi monotera on olemuselt ju n-tüüpi ehk siis negatiivset tüüpi pooljuht ehk seal on negatiivse laenguga elektronid,” rääkis Kristmann.

Algus jääb kaugele selja taha

„Alustasime uuringutega kaks aastat tagasi, pidades aru, et võiks püriiti materjalina kasutada. Nüüd olemegi välja töötanud protsessi või tehnoloogia, kuidas toota monoterapulbreid püriidist. Oleme ka valmistanud juba esimesed prototüüppaneelid ja saanud neid uurida ning katseseadmetes proovida,” rääkis Kristmann. „Protsesside tööstuslikuks arendamisega läheb aega – praegu tegeleme materjali omaduste parandamisega, eelkõige optoelektriliste omaduste täiustamisega. Eks seejärel saab asuda protsessi skaleerimise ehk selle tootmiseks vajaliku mastaabi arendamise juurde.”

Seda, millal projekt n-ö lendama hakkab ehk kosmosesse jõuab, pole lihtne oletada, sest teadlased ei tea, kui hästi neil läheb. „Uurime täiesti uut materjali, täiesti uue tehnoloogia rakenduses. Tahame minu doktorantuuri lõpuks päiksepaneelid valmis saada. Minu doktorantuuri vili oleks püriidi monoterapaneel kosmoserakenduses ja see peab valmis olema 3,5 aasta pärast.”

Kui mõelda, et fotoelektri valdkond ise on enam kui sada aastat vana, on see aeg väga lühike. Uurimises on palju abi olnud tellijast ehk Euroopa Kosmoseagentuurist: meie teadlased saavad kasutada uuringuteks ESA teaduse- ja tehnoloogialaboreid Hollandis ning teha koostööd maailma tipp-inseneride ja teadlastega. „Lugu on muidugi tõsine – arvan, et tulevase Kuu-baasi päikseenergiaga varustamise alal oleme ESA ainus rühm.”

„Järgmine samm on meil püriidi monoterakihile ehk n-pooljuhile siirdepartneri kihi ehk p-tüüpi pooljuhtmaterjali välja arendamine. Meie lahenduses on see läbipaistev kiht püriidikihi peal. Kaalume nikkeloksiidi kasutamist, kuna ühendit on Kuul kerge hankida. Ideaalis peaks selle kihi kristallvõre sobima hästi ka püriidi kuubilise kristallvõrega,” valgustas Kristmann. „Kaugemas plaanis – Kuu peal peaks olema vaakumi tõttu materjale võimalik hulga lihtsamalt toota, pole ju reostavaid gaase ega hõljuvaid metalliühendeid. Samuti pole mingeid hõljumeid, mis võiksid epoksiidmaterjale rikkuda.”

Asjad kujunevad omasoodu

Kristmann tunnistab, et lapsepõlves ta Kuust ja tähtedevahelistest seiklustest ei unistanud, kuid huvi teaduse vastu oli küll olemas. „Õppisin Tallinna Tehnikaülikooli Tartu kolledžis keskkonnatehnoloogia eriala, tööstusökoloogiat. Selline pehmem ala, nagu öeldakse. Pärast bakalaureuseõpet töötasin Ahhaa teaduskeskuses ja vaat seal tekkis mul suurem teadushuvi, kui pidin end planetaariumis ekskursioonide juhtimiseks astronoomiaga mõnevõrra kurssi viima,“ meenutas ta. „Mõtlesin, et teaduse populariseerimine on vahva, aga võiks ka ise teadust teha. Ja läksin magistriõppesse. See oli loogiline samm – siia tehnikaülikooli erialale materjaliteadus energeetikas. Ise olen Ida-Virumaalt pärit, nii on Eesti energeetikaga seotud probleemid mulle üsna tuttavad.”

Katriini meenutuste järgi tuli tal juba esimesel semestril hakata teadust tegema. „Pidime mõne laboriga liituma, natuke nagu varvast vette kastma. Nägin, et minu tulevane juhendaja, sel ajal lihtsalt üks teadur Taavi Raadik, oli postitanud, et teeb teadustööd ja otsib endale laborisse abi. Teemaks oli lihtsalt kirjutatud: päikesepaneelid kosmose rakendustes. Mulle tundus, et see klapib väga hästi minu hiljuti tekkinud kosmosehuviga ja materjaliteadusega.”

Praeguseks on selge, et see pole esimene õhin, vaid pigem kaalutletud õhin. „Taavil olid juba varasemast kontaktid Euroopa Kosmoseagentuuriga, ta on uurinud päikesepatareide materjalide püsivust kosmose tingimustes – suure temperatuurigradiendi ja tugeva UV-kiirguse oludes,“ rääkis Kristmann. „Minu esimene ülesanne praeguses projektis oligi teha uurimus kõikidest päikeseelementide potentsiaalsetest materjalidest ja sealt siis valida, mida oleks meil hea nendes kosmose, õigemini Kuu-rakendustes kasutada.”

Kuule elama või siiski mitte?

Katriin oleks ka ise valmis Kuule minema, aga mitte pikemaks ajaks. „Mõned oleks ju nõus ka Marsile isegi ühe-otsa-sõidu tegema. Aga mulle meeldib Maa peal elada, ka meeldivad elumugavused – näiteks, et ma saan minna õue ja ei pea eriti muretsema, kas mul on õhku, mida hingata. Tahaksin küll minna kosmosesse, loomulikult, see oleks kõige ainulaadsem asi, mida inimesel üldse võimalik kogeda!”

Kuule rajatakse elektrijaam

Uues kosmose hõlvamise võidujooksus osalevad kõik suuremad kosmoseagentuurid ja riigid nagu Ameerika (NASA), Jaapan (JAXA), Hiina (CNSA), Araabia Ühendemiraadid (UAESA) ja Euroopa Kosmoseagentuuriga liitunud riigid (ESA). Kirjutab Katriin Kristmanni doktoritöö* juhendaja Taavi Raadik.

Praeguseks on Kuul avastatud külmunud kraatrite põhjas, kuhu päikesevalgus pole eales paistnud, veel põhinevat jääd, mida on võimalik ümber töödelda raketikütuseks ning kasutada eluks vajaliku hapniku tootmiseks. Lisaks sellele on Kuu oluline stardiplatvorm – või vahepeatus, nii-öelda tankla – tulevikus toimuvatele planeetidevahelistele lendudele. Kuna Kuul atmosfäär puudub ja gravitatsioon on tunduvalt väiksem kui Maal, siis Kuult äralennuks on vaja väga vähe kütust võrreldes Maa mõjusfäärist lahkumisega.

NASA on baasi rajamisel seadnud eesmärgiks saata kõigepealt Kuu orbiidile kosmosejaam Gateway, mille ehitus juba käib ning esimeste moodulite start on planeeritud 2024. aastasse. Sellest kosmosejaamast hakkaksid astronaudid Kuule laskuma, eksperimente sooritama, samuti tegema ettevalmistusi püsiva baasi rajamiseks Kuu pinnal. Kogu programm kannab ühisnimetust Artemis.

Euroopa Kosmoseagentuur ESA on seevastu seadnud prioriteediks baasi rajamise kohe Kuu lõunapoolusele, Shackletoni kraatri servale. Baas kavatsetakse rajada, kasutades võimalikult palju kohalikke materjale, eelkõige regoliiti ehk Kuu pinnast ja pinnase tolmu. Seda saaks kasutada 3D-printerites n-ö kohalike majade printimiseks. Baasi kavatsetakse elektriga varustada päikesepatareide abil. Just selles osas teevadki koostööd ESA ja Tallinna Tehnikaülikool. Katriin Kristmanni ESA poolt kaasfinantseeritava ja kaasjuhendatava doktorantuuri käigus töötatakse välja võimalik tehnoloogia päiksepatareide tootmiseks Kuu baasi jaoks.

*Teadustöö viimased tulemused on avaldatud teadusajakirjas Thin Solid Film