Paneles solares en nave espacial

Las naves espaciales que operan en el Sistema Solar interior generalmente dependen del uso de paneles solares fotovoltaicos para derivar electricidad de la luz solar. En el sistema solar exterior, donde la luz solar es demasiado débil para producir suficiente energía, se utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) como fuente de energía.

Historia
La primera nave espacial en utilizar paneles solares fue el satélite Vanguard 1, lanzado por los EE. UU. En 1958. Esto se debió en gran parte a la influencia del Dr. Hans Ziegler, que puede considerarse el padre de la energía solar de las naves espaciales.

Usos
Los paneles solares en las naves espaciales suministran energía para dos usos principales:

poder para ejecutar los sensores, calefacción activa, refrigeración y telemetría.
potencia para propulsión de naves espaciales: propulsión eléctrica, a veces llamada propulsión solar-eléctrica.

Para ambos usos, una cifra clave del mérito de los paneles solares es la potencia específica (vatios generados divididos por la masa de la matriz solar), que indica en términos relativos cuánta potencia generará una matriz para una masa de lanzamiento dada en relación con la otra. Otra métrica clave es la eficiencia del empaque almacenado (vatios desplegados producidos divididos por el volumen almacenado), lo que indica la facilidad con que la matriz cabe en un vehículo de lanzamiento. Sin embargo, otra métrica clave es el costo (dólares por vatio).

Para aumentar la potencia específica, los paneles solares típicos de las naves espaciales usan rectángulos de celdas solares compactas que cubren casi el 100% del área visible al sol de los paneles solares, en lugar de los círculos de obleas solares que, aunque estén compactos, cubren aproximadamente 90% del área visible al sol de paneles solares típicos en la tierra. Sin embargo, algunos paneles solares en las naves espaciales tienen celdas solares que cubren solo el 30% del área visible al sol.

Implementación
Los paneles solares necesitan tener una gran superficie que pueda orientarse hacia el Sol a medida que se mueve la nave espacial. Un área de superficie más expuesta significa que se puede convertir más electricidad de la energía de la luz del sol. Como las naves espaciales tienen que ser pequeñas, esto limita la cantidad de energía que se puede producir.

Todos los circuitos eléctricos generan calor residual; Además, los paneles solares actúan como colectores ópticos y térmicos, así como eléctricos. El calor debe ser irradiado desde sus superficies. Las naves espaciales de alta potencia pueden tener matrices solares que compitan con la carga útil activa para la disipación térmica. El panel más interno de matrices puede estar “en blanco” para reducir la superposición de vistas al espacio. Dicha nave espacial incluye los satélites de comunicaciones de mayor potencia (por ejemplo, TDRS de última generación) y Venus Express, no de alta potencia pero más cerca del sol.

Las naves espaciales están construidas de modo que los paneles solares puedan pivotarse a medida que la nave espacial se mueve. Por lo tanto, siempre pueden permanecer en el camino directo de los rayos de luz sin importar cómo sea apuntada la nave espacial. Las naves espaciales generalmente están diseñadas con paneles solares que siempre se pueden apuntar hacia el Sol, incluso cuando el resto del cuerpo de la nave espacial se mueve, al igual que una torreta de tanque puede apuntar independientemente de hacia donde se dirige el tanque. A menudo se incorpora un mecanismo de seguimiento en los paneles solares para mantener el conjunto apuntando hacia el sol.

A veces, los operadores de satélites orientan deliberadamente los paneles solares a un “punto de desconexión” o fuera de la alineación directa del Sol. Esto sucede si las baterías están completamente cargadas y la cantidad de electricidad necesaria es menor que la cantidad de electricidad producida; el desvío también se utiliza a veces en la Estación Espacial Internacional para la reducción de resistencia orbital.

Problemas de radiación ionizante y mitigación
El espacio contiene niveles variables de radiación ionizante, que incluye bengalas y otros eventos solares. Algunos satélites orbitan dentro de la zona protectora de la magnetosfera, mientras que otros no.

Tipos de celdas solares típicamente usadas
Las células solares a base de arseniuro de galio son generalmente favorecidas sobre el silicio cristalino en la industria porque tienen una mayor eficiencia y se degradan más lentamente que el silicio en la radiación presente en el espacio. Las células solares más eficientes actualmente en producción son células fotovoltaicas de unión múltiple. Estos utilizan una combinación de varias capas de arseniuro de galio, fosfuro de indio y galio y germanio para capturar más energía del espectro solar. Las células de múltiples uniones de vanguardia son capaces de exceder el 38.8% con iluminación AM1.5G no concentrada y el 46% con iluminación concentrada AM1.5G.

Nave espacial que usó energía solar
Hasta la fecha, la energía solar, aparte de la propulsión, ha sido práctica para las naves espaciales que operan no más lejos del Sol que la órbita de Júpiter. Por ejemplo, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor y Mars Observer usaron energía solar al igual que el Telescopio Espacial Hubble que orbita la Tierra. La sonda espacial Rosetta, lanzada el 2 de marzo de 2004, utilizó sus 64 metros cuadrados (690 pies cuadrados) de paneles solares hasta la órbita de Júpiter (5,25 UA); anteriormente, el uso más avanzado era la nave espacial Stardust a 2 UA. La energía solar para propulsión también se usó en la misión lunar europea SMART-1 con un propulsor de efecto Hall.

La misión Juno, lanzada en 2011, es la primera misión a Júpiter (llegó a Júpiter el 4 de julio de 2016) para utilizar paneles solares en lugar de los RTG tradicionales que se utilizan en anteriores misiones del sistema solar externo, convirtiéndolo en la nave espacial más lejana. paneles solares hasta la fecha. Tiene 72 metros cuadrados (780 pies cuadrados) de paneles.

Otra nave espacial de interés es Dawn que entró en órbita alrededor de 4 Vesta en 2011. Usó impulsores iónicos para llegar a Ceres.

Se ha estudiado el potencial de las naves espaciales impulsadas por energía solar más allá de Júpiter.

La Estación Espacial Internacional también utiliza paneles solares para alimentar todo en la estación. Las 262,400 celdas solares cubren alrededor de 27,000 pies cuadrados (2,500 m2) de espacio. Hay cuatro conjuntos de paneles solares que alimentan la estación y el cuarto conjunto de matrices se instaló en marzo de 2009. De estos paneles solares se pueden generar 84 a 120 kilovatios de electricidad.

Usos futuros
Para misiones futuras, es deseable reducir la masa de la matriz solar y aumentar la potencia generada por unidad de área. Esto reducirá la masa total de naves espaciales y puede hacer que la operación de naves espaciales impulsadas por energía solar sea factible a distancias más grandes del sol. La masa de la matriz solar podría reducirse con células fotovoltaicas de capa fina, sustratos flexibles y estructuras de soporte compuestas. La eficiencia de la matriz solar podría mejorarse mediante el uso de nuevos materiales de células fotovoltaicas y concentradores solares que intensifican la luz solar incidente. Los paneles solares de concentradores fotovoltaicos para la potencia de las naves primarias son dispositivos que intensifican la luz solar en la energía fotovoltaica. Este diseño utiliza una lente plana, llamada lente Fresnel, que toma una gran área de luz solar y la concentra en un lugar más pequeño. El mismo principio se usa para iniciar incendios con una lupa en un día soleado.

Los concentradores solares colocan una de estas lentes sobre cada célula solar. Esto enfoca la luz desde el área de concentrador grande hasta el área de celda más pequeña. Esto permite que la cantidad de células solares caras se reduzca por la cantidad de concentración. Los concentradores funcionan mejor cuando hay una sola fuente de luz y el concentrador puede apuntar directamente a ella. Esto es ideal en el espacio, donde el Sol es una fuente de luz única. Las células solares son la parte más cara de las matrices solares, y las matrices son a menudo una parte muy costosa de la nave espacial. Esta tecnología puede permitir que los costos se reduzcan significativamente debido a la utilización de menos material.