¿Hay paneles solares disponibles hoy que durarían varios días lunares?

He estado trabajando en un proyecto para construir un modelo digital realista de una base lunar. Supuse que durante la fase inicial de la base, la fuente de energía serían los paneles fotovoltaicos. Pero ahora que lo pienso, ¿los que están disponibles hoy en día podrían soportar una semana más o menos con temperaturas de -170 o C por la noche?

Algo sobre el tamaño de la matriz solar de la ISS es probablemente lo que se requiere, pero esa matriz solo pasa alrededor de 40 minutos a la vez en el frío de la oscuridad orbital, y supongo que la Tierra siempre les arroja algo de calor. Los paneles solares del Opportunity han durado 10 años en Marte, pero solo se enfrentan a cambios de temperatura de alrededor de 100 K, y solo bajan a unos -100 o C, y solo durante 12 horas más o menos. Ningún rover o instrumento en la Luna ha logrado atravesar la noche, nadie lo ha intentado todavía. ( Editar : Chang'e 3 ha durado casi 2 años, y las misiones Surveyor y Lunokhod duraron noches lunares, todas ellas con energía solar. Los sismómetros Apollo duraron años usando RTG. Ver comentarios y respuestas).

¿Se ha averiguado qué pasaría con los tipos de paneles solares que se usan en el espacio hoy en día, si tuvieran que funcionar en la Luna?

Aquí hay una gran foto de los paneles de la ISS, solo para el estado de ánimo...

Primer plano de la matriz de paneles solares de la ISS

Si no, ¿puede usar materiales de cambio de fase para evitar que caigan por debajo del límite inferior de supervivencia final?
@BrianLynch He estado planeando wadis térmicos , pero para la matriz solar, tendrían que ser tan grandes que sería difícil colocarlos en su lugar antes de que se ponga el sol.
¿Alguna razón para no usar PCM? No he esbozado ningún cálculo, así que no puedo decir que sea factible.
@BrianLynch No lo había considerado. La masa probablemente sería bastante significativa, ¿no? De hecho, estaba jugando con la colocación de cargas con forma y limpiando la capa superior de regolito para que quedaran grandes trozos sólidos de roca expuestos. Debido a que tendría que haber al menos una misión de exploración, podría ser parte de eso. Luego desplegando una lámina de material reflectante sobre ellos. Probablemente menos masa que los PCM.
Debo mencionar que estoy en una fase inicial empinada de mi educación espacial. No puedo hacer muchos cálculos.
Sí, la masa es definitivamente crítica. En cuanto a los cálculos de PCM, al menos puede tener una idea aproximada de cuánta masa se requiere en función de una estimación de la cantidad de calor que se debe retener y el calor latente de fusión específico para su fluido de trabajo. Por supuesto, eso no es suficiente, ya que debe observar cuánta pérdida de calor se espera.
¿Hay alguna razón para descartar el uso de colectores solares térmicos y turbinas de vapor para generar electricidad?
Una corrección: su afirmación de que ningún instrumento ha sobrevivido a la noche es incorrecta. Los sismómetros de Apolo duraron cuatro años, se apagaron en 1977. Sin embargo, es posible que hayan sido alimentados con energía nuclear, no lo recuerdo.
Acabo de verificar y tenían energía nuclear, por lo que eso no invalida su pregunta, pero es posible que desee aclararla. Google ALSEP.
¿Qué hay de Chang'e 3? Todavía está en funcionamiento desde más de 20 noches lunares. Y funciona con paneles solares, incluso si se calienta por desintegración nuclear. El rover no tiene calefacción nuclear y creo que todavía está o estaba en comunicación después de varias noches de luna, aunque se detuvo.
@LocalFluff - gracias. No estaba seguro de que no se hubiera hecho, pero tenía fe en que alguien me diría si estaba equivocado :)
@DeerHunter Estoy realmente interesado en las turbinas en la Luna, pero no pensé que podrían usarse para la primera misión. ¿Me equivoco?

Respuestas (1)

Bueno, primero una corrección con respecto a ningún rover o instrumento (alimentado por energía solar) en la Luna que haya pasado la noche y nadie lo haya intentado. Ha habido varios instrumentos y dos rovers que sobrevivieron al menos una, si no varias noches lunares:

  • Surveyor 1 funcionaba con energía solar, aterrizó en la Luna el 2 de junio de 1966 y continuó proporcionando datos hasta el 7 de enero de 1967.
  • Surveyor 3 aterrizó el 20 de abril de 1967 y estuvo activo hasta el 3 de mayo de 1967.
  • Surveyor 5 del 11 de septiembre de 1967 al 17 de diciembre de 1967
  • El Surveyor 6 que aterrizó el 10 de noviembre de 1967 apenas sobrevivió una sola noche lunar y no devolvió ningún dato útil después, pero se las arregló
  • El Surveyor 7 que aterrizó el 9 de enero de 1968 también sufrió daños en la batería durante su primera noche lunar, pero logró devolver algunos datos útiles y no solo provocar que todavía está vivo y luego morir como su predecesor.
  • Lunokhod 1 aterrizó el 17 de noviembre de 1970 y fue contactado por última vez el 14 de septiembre de 1971
  • Lunokhod 2 aterrizó el 15 de enero de 1973, logró el récord de distancia de roving fuera de la Tierra que solo superó el rover Opportunity en Marte 41 años después, y se estima que murió debido a un sobrecalentamiento el 3 de junio de 1973.

Sin embargo, esto no nos dice mucho sobre la durabilidad de los paneles solares actuales en la superficie de la Luna, o los efectos del ciclo térmico, ya que todos estos logros son probablemente más antiguos que el promedio de lectores aquí.

Afortunadamente, la NASA viene al rescate en Análisis de diseños de sistemas de energía de superficie basados ​​en fotovoltaicos estacionarios en el Polo Sur Lunar , Joshua E. Freeh, Centro de Investigación Glenn, 2009 (PDF). Podría decirse que el entorno seleccionado para el estudio es aún más duro, aunque los períodos de ciclos térmicos promedian aproximadamente una vez al año en lugar de una vez al mes más cerca del ecuador lunar. Aún así, brinda una buena descripción general de los desafíos y la vida útil supuesta de los sistemas de energía regenerativos (que usan celdas de combustible de hidrógeno) basados ​​en fotovoltaica.

Si estoy leyendo el documento correctamente, la durabilidad total del sistema de energía regenerativa se estima en 10 años, con el estado de carga del tanque de hidrógeno más bajo al 10 % para una opción 0 de RFC (célula de combustible regenerativo) de 9,9 kW con una masa total del sistema de energía de 2860 kg .

Una cosa que vale la pena señalar aquí es que las celdas de combustible generan una cantidad sustancial de energía térmica (las celdas de combustible de hidrógeno más eficientes funcionan a aproximadamente 1000 K), por lo que la gestión térmica también podría diseñarse para ser autosuficiente mientras duren las celdas de combustible. Los problemas adicionales que afectan la vida útil de las celdas de los paneles solares también son el polvo, la radiación y los micrometeoritos.

El problema del polvo se explica con más detalle en "Kicking Up Some Dust": An Experimental Investigation Relating Lunar Dust Erosive Wear to Solar Power Loss , Jeremiah N. Mpagazehe et al., 2013 (PDF) pero podría mitigarse con, por ejemplo, optimización de Rendimiento fotovoltaico a través de la integración de capas electrodinámicas de protección contra el polvo, S. Nason et al., 2014 (PDF) y ubicación estratégica de arreglos donde no estarían sujetos al bombardeo de polvo levantado. El entorno de radiación es algo más severo que para los paneles solares en GEO debido a la radiación secundaria reflejada en la superficie, por lo que la durabilidad de la energía fotovoltaica probablemente sería más cercana a la de los satélites GPS que orbitan dentro de los cinturones de radiación de Van Allen y supondría una degradación de ~ 2% por año. en lugar de más del 1% promedio, aunque esas son mis propias suposiciones, y los micrometeoritos son algo con lo que tendrás que diseñar para vivir. Ciertos diseños fotovoltaicos (como, por ejemplo, las células de unión múltiple que a la NASA le encanta usar para sus sondas y orbitadores a pesar de tener una masa mayor que, por ejemplo, las células de película delgada) .PV) tolerará los defectos de una sola celda mejor que otros, pero querrá diseñar con un margen razonable y redundancia en mente.

Si tuviera que diseñar lo que está haciendo, probablemente optaría por el sistema de matriz de lentes estiradas Squarerigger (SLASR) y el diseño de celdas de unión múltiple de última generación. Por ejemplo, un diseño propuesto de Europa Orbiter descrito en Solar Power for Outer Planets Study (PDF) utiliza Advanced SLASR Arrays SOA MJ Cell a 45 kW BOL a 1 AU, utilizando cuatro conjuntos Ultraflex de 7,0 m de diámetro con una masa total de 513 kg. Y eso fue en 2007, puede suponer que la tecnología de punta mejoró un poco ahora.

Algunos otros documentos que vale la pena considerar:

Y, por supuesto , el Servidor de informes técnicos de la NASA (NTRS) es su amigo siempre que busque información sobre algo que podría haber sido considerado antes.

El artículo de SLSR está detrás de un muro de pago, pero encontré un artículo que parece bueno en Researchgate, está aquí .
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