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Las naves espaciales que operan en el Sistema Solar interior normalmente dependen del uso de paneles solares fotovoltaicos gestionados por electrónica de potencia para obtener electricidad de la luz solar . Fuera de la órbita de Júpiter , la radiación solar es demasiado débil para producir suficiente energía dentro de la tecnología solar actual y las limitaciones de masa de las naves espaciales, por lo que se utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) como fuente de energía. [1] [ fuente obsoleta ]
Las primeras células solares prácticas basadas en silicio fueron introducidas por Russell Shoemaker Ohl, un investigador de los Laboratorios Bell en 1940. Tenían sólo un 1% de eficiencia. El 25 de abril de 1954 en Murray Hill, Nueva Jersey. Demostraron su panel solar usándolo para alimentar una pequeña noria de juguete y un transmisor de radio alimentado por energía solar.
Inicialmente tenían una eficiencia de alrededor del 6%, pero las mejoras comenzaron a aumentar este número casi de inmediato. Bell había estado interesado en la idea como sistema para proporcionar energía a estaciones repetidoras telefónicas remotas, pero el costo de los dispositivos era demasiado alto para ser práctico en esta función. Aparte de pequeños kits y usos experimentales, las células permanecieron en gran medida sin uso. [2]
Esto cambió con el desarrollo de la primera nave espacial estadounidense, el satélite Vanguard 1 en 1958. Los cálculos del Dr. Hans Ziegler demostraron que un sistema que utilizara células solares que recargaran un paquete de baterías proporcionaría la energía necesaria en un paquete general mucho más liviano que usar solo un batería. [3] El satélite estaba alimentado por células solares de silicio con una eficiencia de conversión de ≈10%. [4]
El éxito del sistema Vanguard inspiró a Spectrolab , una empresa de óptica, a emprender el desarrollo de células solares diseñadas específicamente para aplicaciones espaciales. Obtuvieron su primera victoria importante en el diseño de la Pioneer 1 en 1958, y más tarde serían las primeras células en viajar a la Luna, en el paquete ALSEP de la misión Apolo 11 . A medida que los satélites crecieron en tamaño y potencia, Spectrolab comenzó a buscar formas de introducir células mucho más potentes. Esto los llevó a ser pioneros en el desarrollo de celdas multiunión que aumentaron la eficiencia de alrededor del 12 % para sus celdas de silicio de la década de 1970 a aproximadamente el 30 % para sus celdas actuales de arseniuro de galio (GaAs). Este tipo de células se utilizan ahora casi universalmente en todas las naves espaciales alimentadas por energía solar. [5]
Los paneles solares de las naves espaciales suministran energía para dos usos principales:
Para ambos usos, una cifra clave de mérito de los paneles solares es la potencia específica (vatios generados divididos por la masa del panel solar ), que indica de forma relativa cuánta energía generará un panel para una masa de lanzamiento determinada en relación con otro. Otra métrica clave es la eficiencia del embalaje estibado (vatios desplegados producidos divididos por el volumen estibado), que indica con qué facilidad encajará la matriz en un vehículo de lanzamiento. Otra métrica clave es el costo (dólares por vatio). [7]
Para aumentar la potencia específica, los paneles solares típicos de las naves espaciales utilizan rectángulos de células solares muy juntos que cubren casi el 100% del área visible al Sol de los paneles solares, en lugar de los círculos de oblea solares que, aunque muy juntos, cubren aproximadamente El 90% del área visible al Sol de los paneles solares típicos de la Tierra. Sin embargo, algunos paneles solares de naves espaciales tienen células solares que cubren sólo el 30% del área visible del Sol. [6]
Los paneles solares deben tener una gran superficie que pueda apuntar hacia el Sol a medida que la nave espacial se mueve. Una superficie más expuesta significa que se puede convertir más electricidad a partir de la energía luminosa del sol. Como las naves espaciales tienen que ser pequeñas, esto limita la cantidad de energía que pueden producir. [1]
Todos los circuitos eléctricos generan calor residual ; Además, los paneles solares actúan como colectores ópticos, térmicos y eléctricos. El calor debe irradiarse desde sus superficies. Las naves espaciales de alta potencia pueden tener paneles solares que compitan con la propia carga útil activa por la disipación térmica. El panel de matrices más interno puede estar "en blanco" para reducir la superposición de vistas en el espacio. Entre estas naves espaciales se incluyen los satélites de comunicaciones de mayor potencia (por ejemplo, el TDRS de última generación ) y el Venus Express , que no es de gran potencia pero está más cerca del Sol. [ cita necesaria ]
Las naves espaciales están construidas de manera que los paneles solares puedan girar 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 hacia dónde apunte la nave espacial. Las naves espaciales suelen estar diseñadas con paneles solares que siempre pueden apuntar al Sol, incluso cuando el resto del cuerpo de la nave espacial se mueve, de la misma manera que la torreta de un tanque puede apuntar independientemente de hacia dónde se dirige el tanque. A menudo se incorpora un mecanismo de seguimiento a los paneles solares para mantenerlos apuntando hacia el sol. [1]
A veces, los operadores de satélites orientan intencionalmente los paneles solares "fuera de punto", o fuera de alineación directa con el Sol. Esto sucede si las baterías están completamente cargadas y la cantidad de electricidad necesaria es menor que la cantidad de electricidad producida; La desviación también se utiliza a veces en la Estación Espacial Internacional para reducir la resistencia orbital . [ cita necesaria ]
El espacio contiene niveles variables de gran radiación electromagnética así como de radiación ionizante . Existen 4 fuentes de radiaciones: los cinturones de radiación de la Tierra (también llamados cinturones de Van Allen), los rayos cósmicos galácticos (GCR), el viento solar y las erupciones solares . Los cinturones de Van Allen y el viento solar contienen principalmente protones y electrones, mientras que los GCR son en su mayoría protones de muy alta energía, partículas alfa e iones más pesados. [9] Los paneles solares experimentarán una degradación de su eficiencia con el tiempo como resultado de estos tipos de radiación, pero la tasa de degradación dependerá en gran medida de la tecnología de las células solares y de la ubicación de la nave espacial. Con los revestimientos de paneles de vidrio de borosilicato, esto puede suponer una pérdida de eficiencia de entre el 5 % y el 10 % por año. Otros recubrimientos de vidrio, como los de sílice fundida y los de plomo, pueden reducir esta pérdida de eficiencia a menos del 1% anual. La tasa de degradación es función del espectro de flujo diferencial y de la dosis ionizante total. [ cita necesaria ]
Hasta principios de la década de 1990, los paneles solares utilizados en el espacio utilizaban principalmente células solares de silicio cristalino . Desde principios de la década de 1990, las células solares basadas en arseniuro de galio comenzaron a preferirse al silicio porque tienen una mayor eficiencia y se degradan más lentamente que el silicio en el entorno de radiación espacial. Las células solares más eficientes actualmente en producción son las células fotovoltaicas multiunión . Estos utilizan una combinación de varias capas de fosfuro de indio y galio, arseniuro de galio y germanio para recolectar más energía del espectro solar. Las celdas multiunión de vanguardia son capaces de superar el 39,2% con iluminación AM1.5G no concentrada y el 47,1% con iluminación AM1.5G concentrada. [10]
Hasta la fecha, la energía solar, aparte de la propulsión, ha resultado práctica para naves espaciales que operan a no más distancia del Sol que la órbita de Júpiter . Por ejemplo, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor y Mars Observer utilizaron 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 [11] hasta la órbita de Júpiter (5,25 UA ); Anteriormente, el uso más lejano era la nave espacial Stardust a 2 AU. La energía solar para la propulsión también se utilizó en la misión lunar europea SMART-1 con un propulsor de efecto Hall . [12]
La misión Juno , lanzada en 2011, es la primera misión a Júpiter (llegó a Júpiter el 4 de julio de 2016) que utiliza paneles solares en lugar de los RTG tradicionales que se utilizan en misiones anteriores del Sistema Solar exterior, lo que la convierte en la nave espacial más alejada en utilizar. paneles solares hasta la fecha. [13] [14] Tiene 50 metros cuadrados (540 pies cuadrados) de paneles. [15] [16]
El módulo de aterrizaje InSight , el helicóptero Ingenuity , el orbitador Tianwen-1 y el rover Zhurong que operan actualmente en Marte también utilizan paneles solares.
Otra nave espacial de interés fue Dawn , que entró en órbita alrededor de 4 Vesta en 2011. Usó propulsores de iones para llegar a Ceres . [17]
Se ha estudiado el potencial de naves espaciales propulsadas por energía solar más allá de Júpiter. [18]
La Estación Espacial Internacional también utiliza paneles solares para alimentar todo lo que se encuentra en la estación. Las 262.400 células solares cubren alrededor de 27.000 pies cuadrados (2.500 m 2 ) de espacio. Hay cuatro conjuntos de paneles solares que alimentan la estación y el cuarto conjunto de paneles se instaló en marzo de 2009. Estos paneles solares pueden generar 240 kilovatios de electricidad. Eso equivale a una potencia promedio del sistema de 120 kilovatios, incluido el 50% del tiempo que la ISS pasa a la sombra de la Tierra. [19]
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Para futuras misiones, es deseable reducir la masa de los paneles solares y aumentar la energía generada por unidad de área. Esto reducirá la masa total de la nave espacial y puede hacer factible la operación de naves espaciales propulsadas por energía solar a distancias mayores del sol. La masa de los paneles solares podría reducirse con células fotovoltaicas de película delgada, sustratos de manta flexibles y estructuras de soporte compuestas. La eficiencia de los paneles solares podría mejorarse mediante el uso de nuevos materiales de células fotovoltaicas y concentradores solares que intensifiquen la luz solar incidente. Los paneles solares de concentración fotovoltaica para energía primaria de naves espaciales son dispositivos que intensifican la luz solar en los paneles fotovoltaicos. Este diseño utiliza una lente plana, llamada lente de Fresnel , que toma una gran área de luz solar y la concentra en un punto más pequeño, lo que permite utilizar un área más pequeña de célula solar.
Los concentradores solares colocan una de estas lentes sobre cada célula solar. Esto enfoca la luz desde el área del concentrador grande hacia el área de la celda más pequeña. Esto permite reducir la cantidad de costosas células solares mediante la cantidad de concentración. Los concentradores funcionan mejor cuando hay una única fuente de luz y el concentrador puede apuntar directamente hacia ella. Esto es ideal en el espacio, donde el Sol es una única fuente de luz. Las células solares son la parte más cara de los paneles solares, y los paneles suelen ser una parte muy cara de la nave espacial. Esta tecnología puede permitir reducir significativamente los costos debido a la utilización de menos material. [20]
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![Prueba de luz negra de las células solares de arseniuro de galio de triple unión de Dawn[21]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bb/Black_light_test_of_Dawns_solar_cells.jpg/1280px-Black_light_test_of_Dawns_solar_cells.jpg)
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