Les engins spatiaux opérant dans le système solaire interne dépendent généralement de l’utilisation de panneaux solaires photovoltaïques pour obtenir de l’électricité à partir de la lumière solaire. Dans le système solaire extérieur, où la lumière du soleil est trop faible pour produire suffisamment d’énergie, les générateurs thermoélectriques à radioisotopes (RTG) sont utilisés comme source d’énergie.

Histoire
Le premier vaisseau spatial à utiliser des panneaux solaires était le satellite Vanguard 1, lancé par les États-Unis en 1958. Cela était dû en grande partie à l’influence du Dr Hans Ziegler, qui peut être considéré comme le père de l’énergie solaire des engins spatiaux.

Les usages
Panneaux solaires sur la puissance de l’engin spatial pour deux utilisations principales:

le pouvoir de faire fonctionner les capteurs, le chauffage actif, le refroidissement et la télémétrie.
puissance pour la propulsion des engins spatiaux – propulsion électrique, parfois appelée propulsion solaire-électrique.

Pour les deux utilisations, un facteur de mérite clé des panneaux solaires est la puissance spécifique (watts générés divisés par la masse du panneau solaire), qui indique, sur une base relative, la puissance générée par une matrice donnée. Une autre mesure clé est l’efficacité de l’emballage arrimé (puissance déployée produite divisée par le volume stocké), qui indique la facilité d’installation de la baie dans un véhicule de lancement. Une autre mesure clé est le coût (dollars par watt).

Pour augmenter la puissance spécifique, les panneaux solaires typiques des vaisseaux spatiaux utilisent des rectangles de cellules solaires compactes qui couvrent près de 100% de la zone visible du soleil des panneaux solaires, plutôt que les cercles de galettes solaires qui couvrent 90% de la zone visible par le soleil des panneaux solaires typiques sur terre. Cependant, certains panneaux solaires installés sur des engins spatiaux possèdent des cellules solaires qui ne couvrent que 30% de la surface visible.

la mise en oeuvre
Les panneaux solaires doivent avoir beaucoup de surface pouvant être orientée vers le soleil lorsque l’engin spatial se déplace. Une surface plus exposée permet de convertir plus d’électricité à partir de l’énergie lumineuse du soleil. Comme les engins spatiaux doivent être petits, cela limite la quantité d’énergie pouvant être produite.

Tous les circuits électriques génèrent de la chaleur perdue; De plus, les panneaux solaires agissent comme des capteurs optiques et thermiques ainsi que des collecteurs électriques. La chaleur doit être rayonnée de leurs surfaces. Les engins spatiaux à haute puissance peuvent avoir des panneaux solaires qui font concurrence à la charge utile active elle-même pour la dissipation thermique. Le panneau de tableaux le plus interne peut être « vierge » pour réduire le chevauchement des vues dans l’espace. De tels engins spatiaux comprennent les satellites de communications de plus grande puissance (par exemple, le TDRS de dernière génération) et Venus Express, non pas très puissants mais plus proches du Soleil.

Les engins spatiaux sont construits de manière à ce que les panneaux solaires puissent pivoter lorsque le vaisseau spatial se déplace. Ainsi, ils peuvent toujours rester dans le chemin direct des rayons lumineux, peu importe la manière dont le vaisseau spatial est dirigé. Les vaisseaux spatiaux sont généralement conçus avec des panneaux solaires qui peuvent toujours être dirigés vers le soleil, même si le reste du véhicule se déplace, de la même manière qu’une tourelle de réservoir peut être dirigée indépendamment de la destination du réservoir. Un mécanisme de suivi est souvent incorporé dans les panneaux solaires pour maintenir la matrice dirigée vers le soleil.

Parfois, les opérateurs de satellites orientent délibérément les panneaux solaires vers le «point d’arrêt» ou hors de l’alignement direct du soleil. Cela se produit si les batteries sont complètement chargées et que la quantité d’électricité nécessaire est inférieure à la quantité d’électricité produite; On utilise aussi parfois le pointage sur la Station spatiale internationale pour la réduction de la traînée orbitale.

Problèmes liés aux rayonnements ionisants et atténuation
L’espace contient différents niveaux de rayonnements ionisants, notamment les éruptions et autres événements solaires. Certains satellites orbitent dans la zone de protection de la magnétosphère, d’autres non.

Types de cellules solaires généralement utilisées
Les cellules solaires à base d’arséniure de gallium sont généralement privilégiées par rapport au silicium cristallin dans l’industrie car elles ont un rendement plus élevé et se dégradent plus lentement que le silicium dans le rayonnement présent dans l’espace. Les cellules solaires les plus efficaces actuellement en production sont les cellules photovoltaïques à jonctions multiples. Ceux-ci utilisent une combinaison de plusieurs couches d’arséniure de gallium, de phosphure d’indium et de gallium et de germanium pour capter plus d’énergie du spectre solaire. Les cellules multi-jonctions de pointe sont capables de dépasser 38,8% sous un éclairage AM1.5G non concentré et 46% avec un éclairage concentré AM1.5G.

Un vaisseau spatial qui a utilisé l’énergie solaire
Jusqu’à présent, l’énergie solaire, autre que la propulsion, était pratique pour les engins spatiaux qui ne se trouvaient pas plus loin du Soleil que l’orbite de Jupiter. Par exemple, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor et Mars Observer ont utilisé l’énergie solaire tout comme le télescope spatial Hubble en orbite terrestre. La sonde spatiale Rosetta, lancée le 2 mars 2004, a utilisé ses panneaux solaires de 64 mètres carrés jusqu’à l’orbite de Jupiter (5,25 UA); auparavant, le vaisseau spatial Stardust à 2 UA était le plus utilisé. L’énergie solaire pour la propulsion a également été utilisée lors de la mission lunaire européenne SMART-1 avec un propulseur à effet Hall.

La mission Juno, lancée en 2011, est la première mission à Jupiter (arrivée à Jupiter le 4 juillet 2016) à utiliser des panneaux solaires au lieu des RTG traditionnels utilisés par les précédentes missions du système solaire. panneaux solaires à ce jour. Il a 72 mètres carrés (780 pieds carrés) de panneaux.

Un autre vaisseau spatial intéressant est Dawn, qui est entré en orbite autour de 4 Vesta en 2011. Il a utilisé des propulseurs ioniques pour se rendre à Ceres.

Le potentiel des engins spatiaux à énergie solaire au-delà de Jupiter a été étudié.

La Station spatiale internationale utilise également des panneaux solaires pour tout alimenter sur la station. Les 262 400 cellules solaires couvrent environ 27 000 pieds carrés (2 500 m2) d’espace. Quatre groupes de panneaux solaires alimentent la station et le quatrième ensemble de panneaux solaires a été installé en mars 2009. Ces panneaux solaires permettent de produire de 84 à 120 kilowatts d’électricité.

Utilisations futures
Pour les missions futures, il est souhaitable de réduire la masse des panneaux solaires et d’augmenter la puissance générée par unité de surface. Cela réduira la masse globale des engins spatiaux et rendra possible l’utilisation d’engins spatiaux à énergie solaire à des distances plus importantes du soleil. La masse des panneaux solaires pourrait être réduite avec des cellules photovoltaïques à couches minces, des substrats de matelas souples et des structures de support composites. L’efficacité des panneaux solaires pourrait être améliorée en utilisant de nouveaux matériaux de cellules photovoltaïques et des concentrateurs solaires qui intensifient la lumière solaire incidente. Les panneaux solaires à concentrateur photovoltaïque destinés à la puissance des engins spatiaux primaires sont des dispositifs qui intensifient la lumière solaire sur le photovoltaïque. Cette conception utilise une lentille plate, appelée lentille de Fresnel, qui prend une grande surface de lumière solaire et la concentre sur un point plus petit. Le même principe est utilisé pour déclencher des feux avec une loupe par une journée ensoleillée.

Les concentrateurs solaires placent l’une de ces lentilles sur chaque cellule solaire. Ceci concentre la lumière du grand concentrateur vers la plus petite zone de cellule. Cela permet de réduire la quantité de cellules solaires coûteuses par la quantité de concentration. Les concentrateurs fonctionnent mieux quand il y a une seule source de lumière et que le concentrateur peut être orienté directement vers celui-ci. C’est idéal dans l’espace, où le soleil est une source de lumière unique. Les cellules solaires sont la partie la plus chère des panneaux solaires, et les batteries constituent souvent une partie très coûteuse de l’engin spatial. Cette technologie peut permettre de réduire considérablement les coûts en raison de l’utilisation de moins de matériel.