¿A qué distancia del Sol se puede utilizar la energía solar como fuente de energía fiable?

Presumiblemente, esto se debe a que la energía solar no es factible a grandes distancias del Sol.

Existe la posibilidad de utilizar energía solar siempre que los paneles reciban una cantidad de energía superior al nivel de trabajo de una célula fotovoltaica. Esto incluye el sistema solar completo. La usabilidad de las células solares a baja intensidad mejora constantemente.

Pero, claro... ser capaz de recolectar muy poca energía no es suficiente para alimentar cualquier sonda espacial por el momento.

Con la tecnología actual disponible, ¿cuál se considera la "zona segura" en la que los paneles solares pueden usarse como una fuente confiable para alimentar una nave espacial?

La energía requerida para una misión determinada se puede obtener ajustando el tamaño de los paneles solares, pero este ajuste tiene un límite superior. La otra forma es usar celdas más eficientes:

De Wikipedia :

Imagen más grande .

"Las eficiencias de las celdas se miden en condiciones de prueba estándar (STC) a menos que se indique lo contrario. STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m² con un espectro de masa de aire 1.5 (AM1.5). [...] Esto representa el mediodía solar cerca de los equinoccios de primavera y otoño en los Estados Unidos continentales con la superficie de la celda apuntando directamente al sol".

Las células funcionan muy bien fuera de STC, siempre que se tengan en cuenta las condiciones de trabajo en el diseño:

"Las misiones planetarias internas y las misiones para estudiar el sol dentro de unos pocos radios solares requieren paneles solares capaces de soportar temperaturas superiores a 450 °C y funcionar a altas intensidades solares (HIHT). Las misiones planetarias exteriores requieren paneles solares que puedan funcionar a intensidades solares bajas y bajas temperaturas (LILT). Además de las misiones cercanas al sol, las misiones a Júpiter y sus lunas también requieren paneles solares que puedan soportar altos niveles de radiación". (Fuente: Space Solar Cells and Arrays - Bailey, Raffaelle)

También existen diferentes posibilidades para concentrar la luz en las celdas para evitar la degradación de la eficiencia de baja intensidad y obtener más energía de la misma área de la celda:

• Tecnología de enfoque
• Conjunto de lentes estiradas SquareRigger -- SLASR

Usabilidad práctica de los paneles solares en el espacio

En general, este estudio de la NASA (2007) supone que los paneles solares son prácticamente utilizables hasta la órbita de Júpiter (5,2 AU, productos Ultraflex ), y que la misión de Saturno (10 AU) se podrá lograr a corto plazo.

(Misión Juno para Júpiter)

"Los arreglos Ultraflex a corto plazo y las celdas de unión múltiple de última generación pueden brindar la capacidad de realizar misiones de baja potencia (200-300 W) de hasta 10 AU".

Sin embargo, hay que tener en cuenta varios factores.

Tamaño de los paneles solares

La cantidad de energía recibida a cierta distancia del Sol está determinada por una ley del inverso del cuadrado. Consulte esta pregunta en Physics.SE para obtener más detalles:

"La fotovoltaica funciona muy bien cerca de la Tierra, a 1 UA del Sol, donde recibimos alrededor de 1400 vatios por metro cuadrado [...] En Saturno, a casi 10 UA del Sol, hay una potencia de 1/100. Bien, si una nave espacial lleva paneles solares 100 veces más grandes que los que se utilizarían cerca de la Tierra". -- Para la misión Juno : "Su matriz plana de 45 m² produce 9,6 kW BOL a 1 AU y 414 W a 5,5 AU"

BOL / inicio de vida: la eficiencia de las células disminuye con el tiempo, ya que están expuestas a radiaciones (protones, UV, IR, etc.).

El primer problema surge en términos del tamaño de los arreglos para entregar la energía eléctrica que necesita, y si la nave espacial puede acomodar ese tamaño o no.

Eclipse

La nave espacial en órbita alrededor de un cuerpo celeste no recibirá la luz del sol cuando esté detrás de este cuerpo. Se requiere algún medio de almacenamiento de energía.

(Fuente: Britannica )

albedo planetario

Un cuerpo celeste puede reflejar la luz del sol en los conjuntos de sondas, lo que aumenta la producción de energía.

Robustez de las matrices

Los arreglos pueden ser destruidos durante el lanzamiento o en órbita por los escombros. A medida que crecen, su robustez es difícil de mantener sin agregar masa al sistema.

Costo del lanzamiento

Cuanto mayor sea la energía requerida, o cuanto más lejos esté la nave espacial del Sol, más caras serán las matrices debido a su tamaño. El coste del lanzamiento también se ve afectado por la correspondiente variación de masa.

En algún momento, otras fuentes de energía serán más baratas de construir y lanzar.

Salida de corriente máxima

Si la misión necesita más corriente de la que pueden producir los arreglos, y no es adecuado aumentar el tamaño de los arreglos, entonces la energía debe almacenarse a la velocidad que el arreglo puede entregar y luego consumirse a la velocidad más alta requerida hasta que la batería se agote. está vacío, y luego espere a que la batería se cargue de nuevo.

Trabajar discontinuamente puede ser aceptable o no. Además, la eficacia de la batería disminuye con el tiempo y el polvo o el propulsor pueden atenuar las radiaciones solares. Es posible que las misiones largas no puedan adaptarse a estos problemas.

Hay al menos dos problemas con las células solares fotovoltaicas (sin considerar los concentradores) en el sistema solar exterior: la baja potencia del sol y la baja temperatura de las células.

Para la misión Cassini a Saturno (9 a 10 UA del Sol), la NASA investigó la energía solar como alternativa. Calcularon el área de superficie que se requeriría y concluyeron que la masa de los paneles solares requeridos daría como resultado una nave espacial con una masa superior a cualquier cosa que pudiera ser lanzada con la tecnología existente, e inhibiría severamente la maniobrabilidad. Llegaron a la conclusión de que habría sido posible, pero que el costo científico sería demasiado alto:

De la Declaración de Impacto Ambiental de Cassini, capítulo 2 , página 2-53 en adelante. Para una configuración alternativa,

La adición de este tamaño de matriz, junto con las otras modificaciones necesarias para implementar la energía solar, aumentó la masa seca de la nave espacial en 1337 kg (2948 lb). Con la masa de los propulsores, la sonda Huygens y el adaptador de lanzamiento, la masa total de la nave espacial aumentaría a 7228 kg (15 935 lb), superando con creces la capacidad de lanzamiento del Titan IV (SRMU)/Centaur de 6234 kg (13 743 lb). ) para una trayectoria a Saturno (JPL 1994a).

o, por otro,

Para reducir aún más el tamaño de las matrices, la potencia disponible para los instrumentos científicos se redujo en un 50 por ciento. Debido al gran momento de inercia creado 2 por los grandes paneles solares (397 m² [4269 ft²] y 585 kg [1290 lb]) (JPL 1994a), el tiempo necesario para girar y maniobrar la nave espacial durante su exploración del sistema de Saturno aumentaría por un factor de entre 4 y 18 en comparación con la nave espacial compacta impulsada por RTG. Los impactos resultantes en los objetivos científicos de la misión serían graves e incluirían mayores tiempos para los mosaicos de imágenes, índices de giro inadecuados para los instrumentos de campos y partículas, resolución de imagen reducida debido a una compensación de movimiento del objetivo inadecuada, pérdida del tiempo de observación del instrumento durante los giros para comunicarse con la Tierra, y tasas de giro insuficientes para apoyar la observación de radar de Titán '

Más recientemente, dos misiones a Júpiter (4,9 a 5,5 AU del Sol) utilizan paneles solares: Juno de la NASA se encuentra actualmente (2022) en órbita alrededor de Júpiter. El lanzamiento de Juice de la ESA se realizará en 2023. Ambos utilizan energía solar fotovoltaica y son la nave espacial más lejana en hacerlo hasta la fecha.