Relación de masa de energía solar-eléctrica versus energía termoeléctrica de radioisótopos para propulsión; ¿Más allá de cuántas AU ganan los RTG?

La propulsión solar-eléctrica se ha utilizado varias veces en misiones en el espacio profundo. Esta pregunta explora la escalabilidad en comparación con la generación termoeléctrica de radioisótopos u otras fuentes nucleares.

parte primaria

Supongamos una misión en el espacio profundo donde los satélites pequeños deben colocarse a varias distancias del Sol en órbitas circulares. Cada uno requiere 1 kW de energía eléctrica (la gestión térmica para las órbitas más frías se realiza con unidades de calentamiento de radioisótopos separadas ).

¿La energía solar siempre gana a las RTG en términos de masa? Por debajo de 1 UA es casi seguro que la energía solar-eléctrica gana, pero ¿a qué distancia del Sol estaría el punto de cruce donde, en términos generales, los dos tipos de sistemas de energía tendrían masas similares?

La extrapolación y la estimación razonables están bien, no necesitamos una revisión del diseño. Me pregunto si estos puntos están en el cinturón de asteroides o en la nube de Oort.

Parte secundaria (opcional)

Si el requerimiento de energía fuera mucho más bajo, digamos 1 W o 10 W, ¿el punto de cruce sería aproximadamente el mismo? ¿O la escala de masa con potencia de salida se comporta de manera muy diferente para uno versus el otro?

Solo para tu información, Juno tuvo que hibernar durante 2,5 años porque no había suficiente luz solar cerca del afelio, y todas las sondas del espacio profundo realmente usaban RTG.

No se olvide de los reactores nucleares reales, también.
@ikrase No lo hice, están cubiertos en "... u otras fuentes nucleares". en la primera oración.
@RussellBorogove eso es parte de la pregunta, sí. Es posible que la masa de un sistema de generación de energía no disminuya linealmente a medida que disminuye la clasificación de salida (por ejemplo, una RTG de 1 W puede no ser 0,001 de la masa de una RTG de 1 kW) y una puede disminuir más lentamente que la otra. No tiene que ser exactamente 1 W, podría ser 10 W si hay más datos disponibles. Esta podría ser una parte más difícil de responder de la pregunta.
@RussellBorogove He cambiado a "dos tipos de sistemas de energía". Una respuesta ideal sería identificar el punto de cruce para una clasificación de 1 W y una clasificación de 1 kW. Si se supone que para ambos tipos de sistemas, la masa se escala de la misma manera con la clasificación de potencia (como lo hace esta respuesta ), entonces las dos clasificaciones de potencia tendrían un cruce a la misma distancia del Sol.
@RussellBorogove ¡Agradezco el entrenamiento! He refactorizado cuidadosamente la pregunta teniendo en cuenta que ya se ha publicado una respuesta. ¿Cómo se ve?
Sí, eso es mucho más claro.

Respuestas (1)

Con tecnología actual: 4.3AU .

Según wikipedia , parece que el RTG probado en vuelo más potente tenía una densidad de potencia de 5,4 W/kg. Según la NASA , la tecnología solar actual (a partir de 2017) tiene una densidad de potencia de 100 W/kg.

La potencia de salida de una celda solar cae con el cuadrado de la distancia al sol. Entonces, supongamos que tenemos 1 kW a 1 AU. La masa de esta celda sería:

metro o = 1000 W 100 W / k gramo = 10 k gramo

La masa a medida que nos alejamos del sol es metro r mi q = metro o D 2 , dónde D es la distancia al sol en AU.

La salida del RTG es constante y necesitaría una masa de 185 kg para obtener 1 kW.

Graficar esto y encontrar la intersección te da 4.3 AU.

Del informe de la NASA:

Paneles solares: Los tipos de paneles solares actualmente en uso son: a) paneles montados en el cuerpo, b) paneles rígidos desplegables y c) paneles plegables flexibles. Durante los últimos 25 años, la potencia específica de los paneles solares ha mejorado de 30 W/kg a 100 W/kg. En la última década, estos avances han permitido varias misiones orbitales y de superficie en Marte, así como misiones orbitales y de sobrevuelo a cuerpos pequeños y planetas interiores.

Limitaciones: A pesar de estos avances, los sistemas de energía solar SOP no son atractivos para los siguientes conceptos de misiones planetarias futuras:

  1. Misiones planetarias exteriores más allá de Saturno, debido a las capacidades de rendimiento limitadas en ambientes de baja radiación solar y baja temperatura;
  2. Misiones aéreas y de superficie de Venus a baja altitud, debido a sus capacidades operativas limitadas a altas temperaturas, radiación solar alta/baja y entornos corrosivos;
  3. Misiones de larga duración con energía solar en la superficie de Marte, debido a la acumulación de polvo en los paneles solares;
  4. Misiones de propulsión eléctrica solar de alta potencia a cuerpos pequeños y planetas exteriores, porque dichos paneles solares serían pesados, voluminosos y no podrían funcionar en entornos LILT.
¡Gracias por la respuesta rápida y concluyente! Agregué un poco de información de la fuente en caso de que se rompa el enlace de la NASA, lo que sucede de vez en cuando mientras mueven las cosas.
Tanto los paneles solares como los RTG se degradan significativamente con el tiempo; sería interesante ver cómo cambia la distancia de equilibrio con el tiempo.
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