Pannelli solari su veicoli spaziali

I veicoli spaziali che operano nel Sistema Solare interno di solito fanno affidamento su pannelli solari fotovoltaici per ricavare elettricità dalla luce solare. Nel sistema solare esterno, dove la luce del sole è troppo debole per produrre energia sufficiente, i generatori termoelettrici del radioisotopo (RTG) sono usati come fonte di energia.

storia
Il primo veicolo spaziale a utilizzare pannelli solari fu il satellite Vanguard 1, lanciato negli Stati Uniti nel 1958. Hans Ziegler, che può essere considerato il padre dell’astronave energia solare.

usi
I pannelli solari su veicoli spaziali forniscono energia per due usi principali:

alimentazione per far funzionare i sensori, riscaldamento attivo, raffreddamento e telemetria.
alimentazione per propulsione di veicoli spaziali – propulsione elettrica, a volte chiamata propulsione solare-elettrica.

Per entrambi gli usi, una cifra chiave di merito dei pannelli solari è la potenza specifica (watt generata dalla massa del campo solare), che indica su una base relativa la potenza che una matrice genererà per una data massa rispetto a un’altra. Un’altra metrica chiave è l’efficienza dell’imballaggio, che indica la facilità con cui l’array si adatta a un veicolo di lancio. Ancora un’altra metrica chiave è il costo (dollari per watt).

Per aumentare la potenza specifica, i pannelli solari tipici utilizzano un veicolo spaziale che è quasi impacchettato, coprendo circa il 100% dell’area del pannello solare. 90% dell’area visibile al sole di pannelli solari tipici sulla terra. Tuttavia, alcuni pannelli solari su veicoli spaziali hanno celle solari che coprono solo il 30% dell’area visibile al sole.

implementazione
I pannelli solari devono avere molta superficie che può essere puntata verso il sole mentre la navicella si muove. Una superficie più esposta significa che più elettricità può essere convertita da energia luminosa. Poiché la navicella spaziale deve essere piccola, limita la quantità di energia che può essere prodotta.

Tutti i circuiti elettrici generano calore di scarto; inoltre, i pannelli solari agiscono come collettori ottici e termici oltre che elettrici. Il calore deve essere irradiato dalle loro superfici. I veicoli spaziali ad alta potenza possono avere array solari che competono con il carico utile attivo stesso per la dissipazione termica. Il pannello più interno degli array può essere “vuoto” per ridurre la sovrapposizione di visualizzazioni. Tale veicolo spaziale include i satelliti per comunicazioni ad alta potenza (ad es. TDRS di generazione successiva) e Venus Express, non ad alta potenza ma più vicini al Sole.

I veicoli spaziali sono costruiti in modo tale che i pannelli solari possano essere ruotati mentre si muove il veicolo spaziale. Pertanto, possono sempre rimanere nel percorso diretto dei raggi di luce, indipendentemente da come è puntata la navicella spaziale. Il veicolo spaziale di solito è progettato con pannelli solari che possono essere sempre puntati verso il Sole, anche quando il resto del veicolo spaziale si muove, proprio come un carro armato può essere puntato indipendentemente da dove sta andando il carro armato. Un meccanismo di tracciamento è spesso incorporato negli array solari per mantenere l’array puntato verso il sole.

A volte, gli operatori satellitari orientano intenzionalmente i pannelli solari in “off point” o fuori allineamento diretto dal Sole. Questo accade se le batterie sono completamente cariche e la quantità di elettricità necessaria è inferiore alla quantità di elettricità prodotta; Off-pointing è anche usato sulla Stazione Spaziale Internazionale per la riduzione della resistenza orbitale.

Problemi di radiazione ionizzante e mitigazione
Lo spazio contiene diversi livelli di radiazioni ionizzanti, che includono razzi e altri eventi solari. Alcuni satelliti orbitano all’interno della zona di protezione della magnetosfera, mentre altri no.

Tipi di celle solari tipicamente utilizzati
Le celle solari a base di arseniuro di gallio sono tipicamente favorite rispetto al silicio cristallino perché hanno una maggiore efficienza e degrado. Le celle solari più efficienti sono attualmente prodotte in celle fotovoltaiche a più giunzioni. Questi usi di una combinazione di diversi strati di arseniuro di gallio, fosfuro di indio-gallio e germanio per catturare più energia dallo spettro solare. Le celle multi-giunzione all’avanguardia sono in grado di superare il 38,8% in condizioni di illuminazione non concentrata AM1,5 G e il 46% con illuminazione AM1,5G concentrata.

Veicolo spaziale che ha usato l’energia solare
Ad oggi, l’energia solare, a parte la propulsione, è stata pratica per le astronavi che operano più lontano dall’orbita solare di Giove. Ad esempio, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor e Mars Observer hanno usato l’energia solare come il Telescopio Spaziale Hubble in orbita attorno alla Terra. La sonda spaziale Rosetta, lanciata il 2 marzo 2004, ha utilizzato i suoi 64 metri quadrati (690 piedi quadrati) di pannelli solari fino all’orbita di Giove (5,25 UA); Precedentemente l’uso più estremo era il veicolo spaziale Stardust a 2 UA. L’energia solare per la propulsione è stata utilizzata anche nella missione lunare europea SMART-1 con un propulsore ad effetto Hall.

La missione Juno, lanciata nel 2011, è la prima missione su Jupiter (arrivato a Giove il 4 luglio 2016) per utilizzare i pannelli solari al posto dei tradizionali RTG che vengono utilizzati dalle precedenti missioni del sistema solare, rendendolo il veicolo spaziale più lontano da usare pannelli solari fino ad oggi. Ha 72 metri quadrati (780 piedi quadrati) di pannelli.

Un altro veicolo spaziale di interesse è Dawn, che è andato in orbita attorno ai 4 Vesta nel 2011. Ha usato i propulsori ionici per arrivare a Cerere.

Giove è stato studiato.

Anche la Stazione Spaziale Internazionale utilizza gli array solari per alimentare tutto sulla stazione. Le 262.400 celle solari coprono circa 27.000 piedi quadrati (2.500 m2) di spazio. Ci sono quattro gruppi di pannelli solari che alimentano la stazione e il quarto set di array è stato installato nel marzo 2009.

Usi futuri
Per le missioni future, è auspicabile ridurre la massa degli array solari e aumentare la potenza generata per unità di area. Ciò ridurrà la massa complessiva del veicolo spaziale e potrebbe rendere fattibile il funzionamento di veicoli spaziali a energia solare a distanze maggiori dal sole. La massa dell’array solare potrebbe essere ridotta con celle fotovoltaiche a film sottile, substrati flessibili di coperta e strutture di supporto composite. L’efficienza dell’array solare è stata migliorata utilizzando nuovi materiali per celle fotovoltaiche e concentratori solari che intensificano la luce solare incidente. I pannelli solari concentratori fotovoltaici per la principale energia dei veicoli spaziali sono dispositivi che intensificano la luce solare sul fotovoltaico. Questo design utilizza una lente piatta, chiamata lente di Fresnel, che prende una grande area di luce solare e la concentra su un punto più piccolo. Lo stesso principio è usato per accendere fuochi con una lente d’ingrandimento in una giornata di sole.

I concentratori solari mettono una di queste lenti su ogni cella solare. Questo focalizza la luce dalla grande area del concentratore fino alla più piccola area della cella. Ciò consente di ridurre la quantità di celle solari costose in base alla quantità di concentrazione. I concentratori funzionano meglio quando c’è un’unica fonte di luce e il concentratore può essere puntato direttamente su di esso. Questo è l’ideale nello spazio, dove il Sole è una singola fonte di luce. Le celle solari sono la parte più costosa degli array solari e gli array sono spesso una parte molto costosa del veicolo spaziale. Questa tecnologia può consentire di ridurre significativamente i costi grazie all’uso di meno materiale.