Casi todos los satélites utilizan energía fotovoltaica para generar la energía que necesitan para hacer funcionar sus instrumentos y mantenerse en funcionamiento. La energía solar es una opción energética increíblemente popular para las naves espaciales, y representa más del 90 % de los satélites pequeños y nanosatélites, a partir de 2021. [1] [2]
Todas las misiones Apolo, los exploradores de Marte y del espacio profundo han adoptado fuentes alternativas como las baterías nucleares [3] , aunque éstas suelen proporcionar niveles relativamente bajos de energía durante períodos extremadamente largos, utilizando el calor constante generado para inducir un voltaje y permitir que la corriente fluya a través de sus sistemas de energía. [4]
El uso de calor de "baja potencia" limita fundamentalmente la potencia y la eficiencia de las baterías nucleares. Aunque los reactores nucleares son una tecnología viable, los aspectos de seguridad y responsabilidad restringen el uso de la energía nuclear a naves espaciales y misiones que, de otro modo, no podrían tener éxito razonablemente. [5]
Por estas razones, la energía solar será una tecnología importante para cualquier nave espacial que opere en la órbita marciana. La intensidad de la luz solar disminuye considerablemente a esta distancia del Sol, y se reconoce que es un problema incluso a esta distancia. [6]
La tendencia hacia naves espaciales más pequeñas, como los CubeSats, agrava este problema, ya que son demasiado pequeñas para llevar grandes paneles solares. Los CubeSats también deben aceptar que solo los lados que miran hacia el Sol aprovecharán la energía: dependiendo de los parámetros de la misión y la inclinación orbital, casi la mitad de su tiempo operativo se pasa en la sombra, lo que agrava las limitaciones de energía. En última instancia, esto significa que solo funcionan durante menos del 5% de su vida útil total y, a varios millones de dólares cada uno, es como comprar un Bugatti Veyron y solo poder sacarlo a dar un paseo: 30 minutos cada día.
El Sol, aunque es una fuente fantástica de energía, tiene sus limitaciones. El Sol no alcanzará un brillo superior a 1,4 kW/m2 , al menos a 1 UA en la escala de tiempo de nuestra vida, y la luz solar no puede superar los períodos de eclipse o las regiones en sombra permanente como las que se encuentran en el cráter Shackleton, en el polo sur de la Luna. [7]
La forma más sencilla de mejorar la energía que genera el Sol es aumentar la superficie de los paneles solares útiles. Los satélites más grandes proporcionan más superficie para montar paneles fotovoltaicos, ya sea como conjuntos desplegables planos o incluso como conjuntos desplegables . Estos no son necesariamente prácticos para las naves espaciales, ya que no solo pueden aumentar drásticamente los costes de fabricación, al ser uno de los componentes más caros del satélite, sino que también influyen en la masa y los aumentos asociados del coste de lanzamiento, con un efecto secundario en la limitación del número de carenados de cohetes compatibles, debido al aumento de tamaño y sus consecuencias en la flexibilidad de programación.
Por lo tanto, las naves espaciales están diseñadas para SWaP [8] (tamaño, peso y potencia), es decir, minimizar el tamaño y el peso, a la vez que maximizar la potencia. A medida que aumenta la demanda de más tipos de datos (por ejemplo, imágenes térmicas para el monitoreo de los océanos), los operadores de satélites quieren utilizar instrumentos más potentes para brindar datos de mejor calidad. Intentar superar estos límites puede provocar un corte de energía crítico y la pérdida total del control del satélite.
Los paneles más grandes también requieren estructuras satelitales más fuertes, y los paneles también se ven afectados en vuelo por diferentes fuerzas, como la presión de radiación solar (SRP) [9] y las fuerzas electrostáticas. Esto agregará costos adicionales al bus satelital, así como a la cantidad de combustible que se necesita para mantener las operaciones durante la misma vida útil esperada.
En consecuencia, esto presenta un problema de diseño fundamental: una mayor generación de energía requiere paneles solares más grandes, lo que aumenta el tamaño y el peso más de lo necesario para su propósito principal, es decir, la observación de la Tierra, el radar o las telecomunicaciones. Esto también puede presentar problemas para los nuevos tipos de naves espaciales, como las naves espaciales de servicio en órbita que exigen cargas útiles de alta potencia pero deben ser pequeñas y ágiles, principalmente robots de soldadura que son fundamentales para el ensamblaje de generadores de energía solar de bases espaciales. [10]
Irónicamente, la naturaleza de la luz solar no es ideal para los paneles solares. No toda la luz del sol es útil para todos los sistemas fotovoltaicos, ya que depende de las bandas prohibidas específicas de los materiales que se utilizan. Por lo tanto, grandes partes del espectro solar son "invisibles" para el panel, y la falta de coherencia de la propia luz crea ineficiencias en la conversión de electricidad.
Es posible capturar más espectro en el mismo panel solar sin aumentar el área, sino aumentando el espesor. Las células multiunión utilizan capas adicionales de sustratos complementarios, a veces de solo 50 micrómetros de espesor, para aumentar el espectro útil. Los diferentes materiales absorben diferentes partes del espectro solar, en función de sus brechas de banda de electrones, lo que permite convertir más luz solar para un área determinada, mejorando la energía generada, al tiempo que se minimiza el efecto sobre el tamaño y el peso.
Sin embargo, existen factores limitantes a la hora de utilizarlos, ya que la adición de cada capa aumenta el riesgo de fallo; una sola capa defectuosa puede dejar inoperante todo el conjunto. Cada capa requiere más tierras raras, normalmente del tipo III al V. Aunque la cantidad de material real utilizado en el conjunto solar es bastante pequeña, los residuos tóxicos pueden ser unas 2000 veces más voluminosos que el material extraído. [11]
Si tenemos en cuenta los requisitos acumulados de materia prima para todos los sistemas fotovoltaicos de un CubeSat o de una constelación como Starlink con miles de satélites, el impacto medioambiental se vuelve significativo. Si se tienen en cuenta los métodos de extracción, como la lixiviación ácida y la generación de material radiactivo de origen natural (NORM), se debe tener en cuenta la sostenibilidad de este enfoque y minimizar la cantidad de materiales necesarios en la medida de lo posible.
Los láseres, con haces de alta coherencia y con una longitud de onda adaptada a la energía fotovoltaica, pueden alcanzar eficiencias de conversión mucho mayores: hasta un 69 % de tasa de conversión [12] en comparación con aproximadamente el 16 % - 30 % de la luz solar [2] . Su especialidad en la conversión y adaptación les ha dado el nombre de convertidores de potencia láser. [13]
Los láseres ofrecen muchas ventajas, ya que permiten que la luz esté más concentrada, lo que permite una carga mayor y más rápida que la disponible en el Sol, además de proporcionar luz y energía allí donde el Sol no puede brillar, es decir, en las regiones de la Luna que están permanentemente en sombra. Este es un hito importante para la exploración espacial, ya que las naves espaciales han identificado gran cantidad de agua congelada en estas sombras. Se trata de un esfuerzo extremadamente valioso, ya que también sospechamos que hay hidrógeno congelado, amoníaco y, curiosamente para un reactor de fusión espacial, helio-3.
Energía disponible = Tiempo de exposición al sol * Área activa del panel solar * % de visibilidad del espectro del panel solar * Eficiencia de conversión del panel solar
Esto está limitado por la órbita LEO sincrónica con el Sol y GEO, que son casi 24 horas al día, 7 días a la semana. Otras órbitas LEO pueden pasar hasta el 50% del tiempo en la sombra, similar a una misión lunar donde la noche puede durar 2 semanas al mes.
Este factor sólo se puede incrementar cambiando la órbita de la nave espacial o utilizando láseres para proporcionar luz en los períodos de eclipse o de noche.
Este es el tamaño del panel solar que mira hacia el Sol. Como se analizó en la sección sobre el Sol, existen oportunidades limitadas para utilizar paneles solares grandes, ya sea por el tamaño del satélite en sí o incluso por las fuerzas externas que requerirán una estructura de chasis más resistente.
Esto se ve afectado por la ubicación de los paneles solares con respecto a la absorción atmosférica, así como por la temperatura de la fuente. Por ejemplo, el Sol proporciona una radiación de cuerpo negro que se aproxima a los 5250 °C del espectro de cuerpo negro. El espectro solar en sí es el resultado de los procesos naturales encontrados, y la radiación que se encuentra a nivel del mar está sujeta a la absorción atmosférica, lo que afecta la intensidad de longitudes de onda específicas, en función de los gases de la atmósfera de ese planeta.
Los láseres ofrecen una mayor eficiencia de conversión, ya que se pueden ajustar específicamente a la energía fotovoltaica, lo que garantiza que la luz será al menos "visible" para el panel solar, con la consiguiente mayor eficiencia de conversión con luz artificial, en comparación con la naturaleza relativamente estocástica de la luz solar. Esto se ve respaldado por beneficios adicionales, como la mayor coherencia de la luz recibida, lo que maximiza la compatibilidad espectral con el panel y su eficiencia asociada, y también minimiza el aumento de temperatura en el receptor y, en consecuencia, las pérdidas de conversión generales.