¿El sistema de calor residual (sumidero) depende de si la fuente de energía es nuclear o solar?

Esta es una pregunta muy difícil de responder, ya que la respuesta depende mucho más de las misiones y otros parámetros de diseño que del diseño real.

En primer lugar, deseo abordar el problema del calor: en realidad, las células solares generan mucho calor. Por esta razón, para los satélites de observación, las células solares suelen estar lejos de la cámara. Pero también lo hacen las células de energía nuclear. También para esta pregunta, considero solo las celdas de energía que usan desintegración nuclear natural (o generador termoeléctrico de radioisótopos, RTG), por lo que no es un reactor de fisión nuclear.

Lo bueno del espacio es que cualquier energía que no se usa, se convierte en calor de alguna manera. No hay pérdidas por arrastre ni nada. Así que todo esto tiene que ser disipado como calor.

Ahora, el calor residual proviene de varias eficiencias diferentes:

• Uso del equipo (crear torque/fotografiar/transmisión de datos..) -$\eta_{equip}$
• El equipo eléctrico (baterías, cableado)$\eta_{e}$
• Eficiencia de la fuente de poder$\eta_p$

Ahora bien, si queremos proporcionar la misma potencia neta$W_{net}$solo podemos comparar las eficiencias.

Eficiencia del equipo
Salvo ligeras variaciones en las restricciones geométricas, la eficiencia de los satélites de energía solar y nuclear es casi igual, por lo que puede ignorarse.

Eficiencia de los equipos eléctricos
Donde la energía nuclear siempre funcionará de manera constante. (O al menos casi, considerando que el tiempo de vida media del plutonio/uranio es bastante largo). La energía solar realmente no se genera tan fácilmente, la radiación solar se reduce con la inversa de la distancia al cuadrado del sol. (Por ejemplo, la sonda Rosetta se puso en hibernación durante 31 meses)
Y para los satélites en órbita celeste, se debe tener en cuenta el tiempo en que está a la sombra del planeta. - Además de eso, los paneles solares siempre son bastante grandes, lo que requiere mucho cableado para conectar cada celda por separado.

$\eta_{e,s} < \eta_{e,n}$Aunque dados los avances modernos en el almacenamiento de energía eléctrica, esto es bastante pequeño$\eta_{e} \approx 0.93-0.96$- Entonces, solo se podría obtener un porcentaje más o menos del uso de una celda de energía nuclear, pero esto depende completamente del perfil de la misión.

Eficiencia energética
Esta es probablemente la mayor pérdida en las naves espaciales y será el factor decisivo:

En los motores RTG, normalmente la descomposición natural de los átomos calienta otra sustancia sólida. Esta materia que utiliza la conversión electrostática para crear energía. Mirando la eficiencia del rover Curiosity$\eta_p = 125/2000 = 0.125$

Sin embargo, existe una propuesta lista para implementar para usar un motor Stirling en lugar de conversión electrostática. Las placas calentadas luego calentarían un gas que luego pasa por el motor Stirling (llamado ASRG). La eficiencia predicha por la NASA sube a alrededor de 0,25.

Los paneles solares también pierden mucha energía. Esto tiene que ver principalmente con la brecha de banda del semiconductor utilizado. (germanio, silicio). Por simplicidad, considere que no se refleja radiación.

Básicamente, cuando un fotón golpea una celda solar, pueden suceder 3 cosas:
el fotón tiene menos energía de la requerida para que los electrones salten la brecha -> toda la energía del fotón se pierde y se convierte en calor.
El fotón tiene exactamente la cantidad correcta de energía -> toda la energía del fotón se convierte en energía eléctrica El fotón tiene más energía de la necesaria para saltar la brecha -> se usa la parte de energía que se requiere para saltar, el resto es convertida en calor.

Como puede ver, la eficiencia es, por lo tanto, una función del perfil de longitud de onda típico que espera, y también del material utilizado (y hoy en día, las células solares de unión múltiple con diferentes bandas prohibidas están ganando popularidad). Los valores de eficiencia típicos de los paneles solares se encuentran en el orden de 0,25 (las celdas multiunión aún no se usan mucho en aplicaciones reales para el espacio).

Para los RTG nos movemos:

Así que sí, las células solares generan mucho menos calor. Y solo para la gestión del calor, las células de energía nuclear son una mala idea. Sin embargo, los motores Stirling podrían inclinar la balanza. (Aunque, de manera similar, la unión múltiple también podría aumentar las células solares).

Ahora, en cuanto a la masa total, este es un tema aún más amplio que no tocaré aquí, hay que tener en cuenta que también se necesita una potencia mínima para operar, y tener más paneles solares también requiere más masa/diseños cada vez más complejos.