Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen

Raumfahrzeuge, die im inneren Sonnensystem arbeiten, sind normalerweise auf die Verwendung von photovoltaischen Solarzellen angewiesen, um Elektrizität aus dem Sonnenlicht zu gewinnen. Im äußeren Sonnensystem, wo das Sonnenlicht zu schwach ist, um genügend Energie zu erzeugen, werden thermoelektrische Radioisotop-Generatoren (RTGs) als Energiequelle verwendet.

Geschichte
Das erste Raumfahrzeug, das Sonnenkollektoren nutzte, war der Satellit Vanguard 1, der 1958 von den USA gestartet wurde. Dies war vor allem auf den Einfluss von Dr. Hans Ziegler zurückzuführen, der als Vater der Solarenergie der Raumfahrzeuge angesehen werden kann.

Verwendet
Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen liefern Strom für zwei Hauptanwendungen:

Stromversorgung für die Sensoren, aktive Heizung, Kühlung und Telemetrie.
Energie für den Antrieb von Raumfahrzeugen – elektrischer Antrieb, manchmal auch als solar-elektrischer Antrieb bezeichnet.

Für beide Anwendungen ist die spezifische Leistung (erzeugte Watt geteilt durch die Masse der Sonnenkollektoren) eine Schlüsselfigur des Verdienstes der Sonnenkollektoren, die auf einer relativen Basis angibt, wie viel Leistung ein Array für eine gegebene Startmasse relativ zu einer anderen erzeugt. Eine andere Schlüsselmetrik ist die Effizienz der verstauten Verpackung (die eingesetzte Wattzahl wird geteilt durch das verstaute Volumen ausgedrückt), was anzeigt, wie einfach das Array in eine Trägerrakete passt. Eine weitere wichtige Kennzahl sind die Kosten (Dollar pro Watt).

Um die spezifische Leistung zu erhöhen, verwenden typische Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen dicht gepackte Solarzellenrechtecke, die nahezu 100% des sonnensichtbaren Bereichs der Sonnenkollektoren abdecken, und nicht die Solarwaferkreise, die, obwohl sie dicht gepackt sind, ungefähr bedeckt sind 90% der Sonne-sichtbaren Bereich der typischen Sonnenkollektoren auf der Erde. Einige Solarzellen auf Raumfahrzeugen haben jedoch Solarzellen, die nur 30% des sichtbaren Bereichs der Sonne abdecken.

Implementierung
Sonnenkollektoren müssen eine große Oberfläche haben, die auf die Sonne ausgerichtet werden kann, wenn sich das Raumfahrzeug bewegt. Mehr freiliegende Oberfläche bedeutet, dass mehr Strom aus Lichtenergie von der Sonne umgewandelt werden kann. Da Raumfahrzeuge klein sein müssen, begrenzt dies die Menge an Energie, die erzeugt werden kann.

Alle Stromkreise erzeugen Abwärme; Darüber hinaus fungieren Solar-Arrays als optische und thermische sowie elektrische Kollektoren. Wärme muss von ihren Oberflächen abgestrahlt werden. Hochleistungsraumfahrzeuge können Solaranordnungen aufweisen, die mit der aktiven Nutzlast selbst zur Wärmeableitung konkurrieren. Die innerste Gruppe von Arrays kann “leer” sein, um die Überlappung von Ansichten in den Raum zu reduzieren. Solche Raumfahrzeuge umfassen die Kommunikationssatelliten mit höherer Leistung (z. B. TDRS der nächsten Generation) und Venus Express, nicht mit hoher Leistung, sondern näher an der Sonne.

Raumfahrzeuge sind so gebaut, dass die Sonnenkollektoren geschwenkt werden können, wenn sich das Raumfahrzeug bewegt. Somit können sie immer im direkten Weg der Lichtstrahlen bleiben, egal wie das Raumfahrzeug ausgerichtet ist. Raumfahrzeuge sind normalerweise mit Sonnenkollektoren ausgestattet, die immer auf die Sonne gerichtet sein können, selbst wenn sich der Rest des Körpers des Raumfahrzeugs bewegt, ähnlich wie ein Panzerturm unabhängig davon, wohin der Panzer fährt. Ein Tracking-Mechanismus ist oft in die Solar-Arrays eingebaut, um das Array auf die Sonne gerichtet zu halten.

Manchmal richten Satellitenbetreiber die Solarpaneele gezielt auf “off point” oder nicht direkt von der Sonne aus. Dies ist der Fall, wenn die Batterien vollständig geladen sind und die benötigte Strommenge geringer ist als die produzierte Menge an Elektrizität; Off-Pointing wird manchmal auch auf der Internationalen Raumstation zur Reduzierung des Orbitalwiderstandes verwendet.

Ionisierende Strahlung Probleme und Minderung
Der Weltraum enthält unterschiedliche Mengen an ionisierender Strahlung, darunter auch Flares und andere Sonnenereignisse. Einige Satelliten kreisen innerhalb der Schutzzone der Magnetosphäre, andere nicht.

Typische Arten von Solarzellen
Solarzellen auf Galliumarsenid-Basis werden in der Industrie typischerweise gegenüber kristallinem Silizium bevorzugt, da sie eine höhere Effizienz aufweisen und bei der im Weltraum vorhandenen Strahlung langsamer abgebaut werden als Silizium. Die derzeit effizientesten Solarzellen sind Multi-Junction-Solarzellen. Diese verwenden eine Kombination aus mehreren Schichten Galliumarsenid, Indiumgalliumphosphid und Germanium, um mehr Energie aus dem Sonnenspektrum zu gewinnen. Multi-Junction-Zellen mit führenden Kanten sind in der Lage, 38,8% unter nicht-konzentrierter AM1.5G-Beleuchtung und 46% unter Verwendung von konzentrierter AM1.5G-Beleuchtung zu übersteigen.

Raumfahrzeuge, die Solarenergie genutzt haben
Bis heute ist Sonnenenergie, außer für den Antrieb, für Raumfahrzeuge praktisch brauchbar, die nicht weiter von der Sonne entfernt sind als die Umlaufbahn von Jupiter. Zum Beispiel nutzten Juno, Magellan, der Mars Global Surveyor und der Mars Observer Solarenergie ebenso wie das Hubble Space Telescope, das die Erde umkreist. Die Raumsonde Rosetta, die am 2. März 2004 gestartet wurde, nutzte ihre 64 Quadratmeter großen Sonnenkollektoren bis zur Jupiterbahn (5,25 AE); Zuvor war das Stardust-Raumfahrzeug mit 2 AE am weitesten entfernt. Sonnenenergie für den Antrieb wurde auch auf der europäischen Mondmission SMART-1 mit einem Hall-Effekt-Triebwerk verwendet.

Die Juno-Mission, die 2011 ins Leben gerufen wurde, ist die erste Mission von Jupiter (am 4. Juli 2016 bei Jupiter angekommen), Sonnenkollektoren anstelle der traditionellen RTGs zu verwenden, die bei früheren Missionen des äußeren Sonnensystems verwendet wurden und damit das am weitesten entfernte Raumfahrzeug sind Sonnenkollektoren bis heute. Es hat 72 Quadratmeter Paneele.

Ein weiteres interessantes Raumschiff ist Dawn, das 2011 in die Umlaufbahn um 4 Vesta einstieg. Es benutzte Ionentriebwerke, um nach Ceres zu gelangen.

Das Potenzial für solar angetriebene Raumfahrzeuge jenseits von Jupiter wurde untersucht.

Die Internationale Raumstation nutzt auch Solar-Arrays, um alles auf der Station zu betreiben. Die 262.400 Solarzellen umfassen rund 2.500 Quadratmeter Fläche. Es gibt vier Sätze von Solar-Arrays, die die Station antreiben, und der vierte Satz von Arrays wurde im März 2009 installiert. Aus diesen Solar-Arrays können 84 bis 120 Kilowatt Strom erzeugt werden.

Zukünftige Anwendungen
Für zukünftige Missionen ist es wünschenswert, die Masse der Solaranlage zu reduzieren und die pro Flächeneinheit erzeugte Leistung zu erhöhen. Dies wird die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs reduzieren und kann den Betrieb von solarbetriebenen Raumfahrzeugen in größeren Entfernungen von der Sonne ermöglichen. Solar-Array-Masse könnte mit Dünnschicht-Photovoltaikzellen, flexiblen Blanket-Substraten und Verbundtragstrukturen reduziert werden. Die Effizienz der Solaranlage könnte verbessert werden, indem neue Solarzellenmaterialien und Solarkonzentratoren verwendet werden, die das einfallende Sonnenlicht intensivieren. Photovoltaik-Konzentrator-Solar-Arrays für die primäre Raumfahrzeug-Stromversorgung sind Geräte, die das Sonnenlicht auf der Photovoltaik intensivieren. Dieses Design verwendet eine flache Linse, Fresnel-Linse genannt, die eine große Fläche des Sonnenlichts aufnimmt und es auf einen kleineren Punkt konzentriert. Das gleiche Prinzip wird verwendet, um Feuer an einem sonnigen Tag mit einer Lupe zu starten.

Solarkonzentratoren setzen eine dieser Linsen auf jede Solarzelle. Dies fokussiert das Licht vom großen Konzentratorbereich auf den kleineren Zellbereich. Dadurch kann die Menge an teuren Solarzellen um die Konzentration verringert werden. Konzentratoren funktionieren am besten, wenn eine einzige Lichtquelle vorhanden ist und der Konzentrator direkt darauf ausgerichtet werden kann. Dies ist ideal im Weltraum, wo die Sonne eine einzige Lichtquelle ist. Solarzellen sind der teuerste Teil von Solar-Arrays, und Arrays sind oft ein sehr teurer Teil des Raumfahrzeugs. Mit dieser Technologie können die Kosten aufgrund der geringeren Materialausnutzung deutlich gesenkt werden.