Sondas en una trayectoria de escape del sistema solar

Ninguna sonda que haya salido o vaya a salir del Sistema Solar (Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 y New Horizons) tiene un Sistema de Energía Solar. Esto lleva a la pregunta, ¿hay alguna razón detrás de esto? Y en segundo lugar, si se lanzara una sonda fuera del Sistema Solar con un sistema de energía solar, ¿no podría teóricamente comunicarse con la Tierra indefinidamente? El razonamiento detrás de eso es que incluso a miles de millones de millas de distancia podrían apagar todos los sistemas durante, digamos, 3 meses, dejar que las baterías se recarguen y luego, después de los 3 meses, volver a encender, comunicarse con él durante unos días y luego repetir el proceso.

Es más probable que los paneles solares durante unos meses en el espacio profundo recolecten suficiente energía para transmitir durante segundos o minutos en lugar de días (mi estimación aproximada). La compensación de peso entre ellos y un RTG tendería a favorecer al RTG (nuevamente, mi estimación cruda).
¿Puede mostrar un enlace o respaldar su premisa de que las células fotovoltaicas realistas pueden producir energía con niveles de luz muy bajos? La recombinación puede ser un problema y puede empeorar a medida que aumenta el daño por radiación.
También necesitaría baterías mágicas que no se descarguen solas y dispositivos electrónicos mágicos que puedan activarse y funcionar cuando hace mucho frío. ¡Rosetta tuvo que dormir durante dos años porque sus paneles no eran suficientes para calentar eléctricamente a toda la nave espacial! ¿ Ves por qué en realidad Rosetta tuvo que entrar en hibernación durante 2 a 5 años?
Gracias por la respuesta a la primera pregunta! Simplemente no veo una respuesta que cubra mi segunda pregunta.
La capacidad de generación de energía solar cae con 1/R^2, donde R es la distancia entre la nave espacial y el Sol. Mientras tanto, la comunicación a una potencia y velocidad de comunicación dadas también cae con 1/R^2 comunicándose a una velocidad dada, donde R es la distancia entre la nave espacial y la Tierra. Juntos, se combinan para generar una caída de 1/R^4 en la energía solar/comunicaciones. El uso de energía solar simplemente no funciona más allá de Júpiter.
No puede apagarse por completo: debe poder mantener su antena orientada hacia la Tierra, por lo que necesita al menos algo de energía para asegurarse de que siempre esté apuntando en la dirección correcta. Sin mencionar que a esas distancias, su ancho de banda está en el rango de unas pocas docenas a unos cientos de bits por segundo. Entonces, suponiendo que pueda hibernar durante meses por unos minutos de comunicaciones, no podrá enviar ni recibir mucho.
Gracias. Aunque solo un pensamiento. ¿No podría la sonda dejar que la antena se desvíe en la dirección equivocada y luego, cuando se despierte, se ajustará a la posición correcta similar a Rosetta, y luego solo para enviar algunas lecturas científicas básicas durante unas horas?@JohnBode
Los RTG tienen la ventaja de brindar energía constante independientemente de la situación en la que se encuentre la sonda. Desafortunadamente, últimamente la NASA ha tenido dificultades para obtener el material necesario para fabricar RTG. De ahí los paneles de Juno. En serio, necesitan arreglar eso.

Respuestas (4)

No hay suficiente energía solar para alimentar una nave espacial una vez que te alejas del sol a cierta distancia, incluso si tuvieras una eficiencia de conversión de energía del 100 %. La intensidad de la luz solar disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol. La intensidad de la luz solar en Marte es la mitad de la que hay en la Tierra, y en Júpiter es solo del 5%. En la órbita de la Tierra, la intensidad del sol es de aproximadamente 1400 W/m2 (vatios por metro cuadrado), pero en Urano es de solo 4 W/m2. La matriz solar de Juno, que tiene unos 70 metros cuadrados y una eficiencia del 10%, genera casi 500 vatios de potencia en Júpiter, pero solo generaría 28 vatios en Urano, que no se acerca a lo que necesitaría para funcionar. Plutón tiene un promedio de 1 W/m2, lo que equivale a unos 7 vatios. Incluso si tuviera una eficiencia del 100 %, una matriz de 70 m2 generaría 70 vatios a esa distancia.

Además de unos pocos cientos de W de energía eléctrica, un RTG produce unos pocos kW de energía térmica que se utilizan para mantener caliente la nave espacial. Sin calentadores, la temperatura de la nave espacial bajaría a -200 °C. Debe calentarse para que la electrónica funcione bien, y el ciclo térmico pronto rompería cosas.

¿Por qué -200°C y no menos?
-200 era un WAG, no un valor exacto.
@gerrit La temperatura de equilibrio se escala como solo la cuarta raíz de la potencia recibida, o la raíz cuadrada de la distancia desde el sol. Los cuerpos pequeños a distancias de Plutón son fríos pero no CMB fríos. La conjetura de Hobbes probablemente ya esté bastante cerca.

Las misiones principales de Voyagers, Pioneers y New Horizons fueron la exploración de los planetas de nuestro sistema solar, no más allá. El poder continuo durante sus acercamientos a los planetas de nuestro sistema fue mucho más importante que su capacidad para informarnos sobre el espacio interplanetario.

Los RTG proporcionan más energía continua por unidad de masa que los paneles solares a la distancia de Júpiter del sol o más lejos. Cualquier masa dedicada a paneles solares sería masa que no podría gastarse en instrumentos científicos.

Aunque vale la pena señalar que los Voyagers nos han brindado información valiosa a medida que salen del Sistema Solar.
La última oración se aplica igualmente a cualquier otra fuente de alimentación, por ejemplo, "Cualquier masa dedicada a un RTG sería masa que no podría gastarse en instrumentos científicos". Tal como está, esto no parece responder a la pregunta.
Se hizo explícito que los RTG son la mejor propuesta de valor masivo.

Una estimación simple, a una distancia de 50 AU (1 AU es la distancia de la tierra al sol) la energía solar es 1/2500 de la que hay en la órbita terrestre. Recolectar energía durante tres meses y usarla en tres días es solo un factor de 30, pero necesitamos más que un factor de 2500. 3*2500 son 7500 días o más de 20 años. Como escribieron otros, la autodescarga de las baterías sería mucho más rápida que esta carga lenta.

El cinturón de Kuiper va de unas 40 a 75 AU, usé 50 AU para la estimación.

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