Painéis solares na nave espacial

As naves espaciais que operam no sistema solar interno geralmente dependem do uso de painéis solares fotovoltaicos para obter eletricidade da luz solar. No sistema solar externo, onde a luz do sol é fraca demais para produzir energia suficiente, os geradores termoelétricos de radioisótopo (RTGs) são usados ​​como fonte de energia.

História
A primeira nave espacial a usar painéis solares foi o satélite Vanguard 1, lançado pelos EUA em 1958. Isso se deveu em grande parte à influência do Dr. Hans Ziegler, que pode ser considerado o pai da energia solar da espaçonave.

Usos
Painéis solares em energia de fornecimento de espaçonaves para dois usos principais:

poder de executar os sensores, aquecimento ativo, refrigeração e telemetria.
potência para propulsão de espaçonave – propulsão elétrica, às vezes chamada de propulsão solar-elétrica.

Para ambos os usos, uma figura-chave de mérito dos painéis solares é a potência específica (watts gerados divididos pela massa do arranjo solar), que indica em uma base relativa quanta potência um arranjo gerará para uma dada massa de lançamento em relação a outro. Outra métrica importante é a eficiência de empacotamento armazenada (watts desdobrados produzidos divididos pelo volume armazenado), que indica a facilidade com que o array se encaixará em um veículo de lançamento. Ainda outra métrica chave é o custo (dólares por watt).

Para aumentar a potência específica, painéis solares típicos em naves espaciais usam retângulos de célula solar compactos que cobrem quase 100% da área visível ao sol dos painéis solares, em vez dos círculos solares de bolacha que, mesmo que compactos, cobrem cerca de 90% da área visível ao sol de painéis solares típicos da Terra. No entanto, alguns painéis solares em naves espaciais possuem células solares que cobrem apenas 30% da área visível ao sol.

Implementação
Os painéis solares precisam ter muita área de superfície que possa ser apontada para o Sol conforme a espaçonave se move. Área de superfície mais exposta significa que mais eletricidade pode ser convertida da energia da luz do sol. Como as espaçonaves precisam ser pequenas, isso limita a quantidade de energia que pode ser produzida.

Todos os circuitos elétricos geram calor residual; Além disso, os painéis solares atuam como coletores ópticos, térmicos e elétricos. O calor deve ser irradiado de suas superfícies. Espaçonaves de alta potência podem ter painéis solares que competem com a própria carga ativa para dissipação térmica. O painel interno de matrizes pode estar “em branco” para reduzir a sobreposição de vistas ao espaço. Tais naves espaciais incluem os satélites de comunicações de maior potência (por exemplo, TDRS de última geração) e Venus Express, não de alta potência, mas mais próximos do Sol.

As naves espaciais são construídas de modo a que os painéis solares possam ser articulados à medida que a nave espacial se move. Assim, eles podem sempre permanecer no caminho direto dos raios de luz, não importa como a espaçonave esteja apontada. As naves espaciais são geralmente projetadas com painéis solares que sempre podem ser apontados para o Sol, mesmo quando o resto do corpo da espaçonave se movimenta, da mesma forma que uma torre de tanque pode ser direcionada independentemente de onde o tanque está indo. Um mecanismo de rastreamento é frequentemente incorporado nas matrizes solares para manter a matriz apontada para o sol.

Às vezes, as operadoras de satélites propositadamente orientam os painéis solares para “ponto de desligamento”, ou fora do alinhamento direto do sol. Isso acontece se as baterias estiverem completamente carregadas e a quantidade de eletricidade necessária for menor que a quantidade de eletricidade produzida; off-pointing também é usado às vezes na Estação Espacial Internacional para redução de arrasto orbital.

Problemas de radiação ionizante e mitigação
O espaço contém vários níveis de radiação ionizante, o que inclui erupções e outros eventos solares. Alguns satélites orbitam dentro da zona de proteção da magnetosfera, enquanto outros não.

Tipos de células solares normalmente usadas
Células solares à base de arseneto de gálio são tipicamente favorecidas sobre o silício cristalino na indústria porque elas têm uma maior eficiência e se degradam mais lentamente que o silício na radiação presente no espaço. As células solares mais eficientes atualmente em produção são as células fotovoltaicas de junção múltipla. Estes usam uma combinação de várias camadas de arsenieto de gálio, fosforeto de índio gálio e germânio para capturar mais energia do espectro solar. As células multi-junção da borda de ataque são capazes de exceder 38,8% sob iluminação AM1.5G não concentrada e 46% usando iluminação AM1.5G concentrada.

Nave espacial que usaram energia solar
Até hoje, a energia solar, além da propulsão, tem sido prática para naves espaciais que não operam mais longe do Sol do que a órbita de Júpiter. Por exemplo, Juno, Magellan, Mars Global Surveyor e Mars Observer usaram energia solar como o Telescópio Espacial Hubble em órbita da Terra. A sonda espacial Rosetta, lançada em 2 de março de 2004, utilizou seus 64 metros quadrados (690 pés quadrados) de painéis solares na órbita de Júpiter (5,25 UA); Anteriormente, o uso mais remoto era a espaçonave Stardust em 2 UA. A energia solar para propulsão também foi usada na missão lunar europeia SMART-1 com um propulsor de efeito Hall.

A missão Juno, lançada em 2011, é a primeira missão de Júpiter (chegou a Júpiter em 4 de julho de 2016) a usar painéis solares em vez dos tradicionais RTGs usados ​​por missões anteriores do sistema solar, tornando-a a espaçonave mais distante a ser usada painéis solares até à data. Tem 72 metros quadrados (780 pés quadrados) de painéis.

Outra espaçonave de interesse é a Dawn, que entrou em órbita ao redor de 4 Vesta em 2011. Ela usou propulsores de íons para chegar à Ceres.

O potencial para naves espaciais movidas a energia solar além de Júpiter foi estudado.

A Estação Espacial Internacional também usa painéis solares para alimentar tudo na estação. As 262.400 células solares cobrem cerca de 27.000 pés quadrados (2.500 m2) de espaço. Existem quatro conjuntos de matrizes solares que alimentam a estação e o quarto conjunto de matrizes foi instalado em março de 2009. Podem ser gerados de 84 a 120 quilowatts de eletricidade a partir desses painéis solares.

Usos futuros
Para futuras missões, é desejável reduzir a massa do painel solar e aumentar a energia gerada por unidade de área. Isso reduzirá a massa global da espaçonave e poderá tornar possível a operação de espaçonaves movidas a energia solar a distâncias maiores do sol. A massa do conjunto solar pode ser reduzida com células fotovoltaicas de filme fino, substratos de manta flexíveis e estruturas de suporte compostas. A eficiência do sistema solar pode ser melhorada com o uso de novos materiais de células fotovoltaicas e concentradores solares que intensificam a luz solar incidente. Matrizes solares de concentradores fotovoltaicos para energia de espaçonaves primárias são dispositivos que intensificam a luz solar na energia fotovoltaica. Esse design usa uma lente plana, chamada de lente Fresnel, que absorve uma grande área de luz solar e a concentra em um ponto menor. O mesmo princípio é usado para iniciar incêndios com uma lupa em um dia ensolarado.

Os concentradores solares colocam uma dessas lentes em todas as células solares. Isso concentra a luz da grande área do concentrador para a área menor da célula. Isso permite que a quantidade de células solares caras seja reduzida pela quantidade de concentração. Os concentradores funcionam melhor quando há uma única fonte de luz e o concentrador pode ser apontado diretamente para ele. Isso é ideal no espaço, onde o Sol é uma fonte de luz única. As células solares são a parte mais cara das matrizes solares, e as matrizes são muitas vezes uma parte muito cara da espaçonave. Essa tecnologia pode permitir que os custos sejam reduzidos significativamente devido à utilização de menos material.