La misión Juno a Júpiter , si tiene éxito, será lo más lejos que hayamos logrado llegar al trabajo fotovoltaico hasta la fecha. Fue lanzado el 5 de agosto de 2011; ya está más allá de la órbita de Marte y, si todo va bien, llegará a Júpiter en julio de 2016.

No existe un límite físico para la distancia a la que funcionan los fotovoltaicos. Si un fotón de longitud de onda adecuada alcanza el PV (y tenemos todas las razones para creer que la distancia en sí misma no es una barrera), entonces el panel puede funcionar. Como han señalado otros, para algo que se comporta como una fuente puntual de luz (por ejemplo, el Sol, cuando estás lo suficientemente lejos), la cantidad de energía disminuye con el cuadrado de la distancia, por lo que existen desafíos, pero estos son desafíos económicos, técnicos y de ingeniería.

De la literatura (ver la siguiente sección), las eficiencias de las celdas se mantienen alrededor del 1% de los niveles de luz diurna, lo que sugiere que podría ser viable ir a distancias diez veces más lejos del sol. (haciendo una pausa para señalar que incluso cuando las eficiencias se mantienen, necesita 100 veces el área de superficie para capturar la misma cantidad de energía, cuando está diez veces más lejos).

En la literatura

Bunea et al, en Low Light Performance of Mono-Crystalline Silicon Solar Cells , analizaron los niveles de luz hasta el 0,1 % de la luz diurna superficial (es decir,$1Wm^{-2}$), y encontró que las eficiencias se mantuvieron alrededor del nivel de 20-23% entre 0.01 y 1 sol completo ($10\to100 Wm^{-2}$), y se redujo a alrededor del 10 % bajando a 0,001 (0,1 %) a pleno sol.

Eso fue para las células monocristalinas. De manera similar, para la energía fotovoltaica orgánica, Steim et al observaron la energía fotovoltaica orgánica para aplicaciones con poca luz en los mismos rangos de niveles de luz que Bunea et al, y encontraron niveles razonablemente similares de estabilidad en la eficiencia (los cuadrados verdes en los gráficos de la derecha. NB el eje x tiene una escala logarítmica)

Más sobre Juno

De la NASA:

La órbita de Júpiter está cinco veces más lejos del Sol que la de la Tierra, por lo que el planeta gigante recibe 25 veces menos luz solar que la Tierra. Juno será la primera nave espacial con energía solar diseñada por la NASA para operar a una distancia tan grande del sol, por lo que el área de superficie de los paneles solares necesarios para generar la energía adecuada es bastante grande. Tres paneles solares se extienden hacia afuera desde el cuerpo hexagonal de Juno, lo que le da a la nave espacial en general un alcance de aproximadamente 66 pies (20 metros). Los paneles solares permanecerán expuestos a la luz del sol continuamente desde el lanzamiento hasta el final de la misión, excepto por unos minutos durante el sobrevuelo de la Tierra. Antes del lanzamiento, los paneles solares se plegarán en segmentos con cuatro bisagras para que la nave espacial pueda caber en el vehículo de lanzamiento.

Juno se beneficia de los avances en el diseño de celdas solares con celdas modernas que son un 50 por ciento más eficientes y tolerantes a la radiación que las celdas de silicio disponibles para misiones espaciales hace 20 años. Las necesidades de energía de la misión son modestas, con instrumentos científicos que requieren plena potencia durante solo unas seis horas en cada órbita de 11 días (durante el período de máxima aproximación al planeta). Con un diseño de misión que evita los eclipses de Júpiter, minimiza la exposición dañina a la radiación y permite que todas las mediciones científicas se realicen con los paneles solares orientados hacia el sol, la energía solar es perfecta para Juno.

Depende de lo que entiendas por "efectivo". Funcionan bastante bien en la Tierra, a 150 millones de km del sol.

Pero debido a que la luz del sol (o cualquier luz) se dispersa en una capa esférica, a medida que duplica la distancia, solo recibe 1/4 de esa cantidad de luz. Entonces, en la órbita de Marte, alrededor de 1,5 veces más lejos del sol, recibes solo la mitad de la luz solar.

En la órbita de Júpiter, 5 veces más lejos del sol que la Tierra, solo obtendrías 1/25 = 4% de la energía, lo que significa que los paneles solares son bastante inútiles a menos de la mitad de nuestro sistema solar.

Respuesta corta: generalmente a Marte, tal vez al cinturón de asteroides según los detalles de la misión, pero no a Júpiter a menos que sea una nave espacial inusualmente de baja potencia. Olvídese de Saturno y más allá.

La fotovoltaica funciona muy bien cerca de la Tierra, a 1 UA del Sol, donde recibimos unos 1400 vatios por metro cuadrado. (Es más como 1000 en el suelo debido a nuestra atmósfera en el camino). PV funciona bien en Marte, como todos han visto con Spirit y Opportunity, aunque hubo algo de ayuda de los remolinos de polvo.

El flujo de potencia cae como el cuadrado inverso de la distancia. En Saturno, a casi 10 AU 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. Pero los paneles más grandes son más pesados, más difíciles de plegar en la configuración de lanzamiento y no son rentables en términos de ingeniería de sistemas.

Júpiter a cinco AU, o un poco más, no es tan malo como Saturno, pero aún no funciona con la tecnología actual o del futuro cercano, para la mayoría de las misiones que vale la pena realizar. El cinturón de asteroides es discutible. Tal vez para una nave espacial con solo unos pocos sensores científicos simples, sin necesidades estrictas de control de actitud estricto, sin grandes piezas mecánicas móviles (por ejemplo, brazos robóticos en un rover), propulsión modesta y volumen de datos modesto: la cantidad de datos que se transmitirán a la Tierra , PV podría funcionar hasta Júpiter.

Más allá de Marte, PV es más realista con una misión de sobrevuelo que con un módulo de aterrizaje (por ejemplo, en una de las lunas de Júpiter) porque el aterrizaje requeriría más energía para la V delta: reducir la velocidad y ajustar la trayectoria para que coincida con el objeto objetivo, desplegar paracaídas, retrocohetes, o lo que sea. Un sobrevuelo solo necesita recopilar datos y enviarlos por radio a la Tierra. Un ejemplo de cómo diferentes naves a la misma distancia del Sol pueden necesitar diferentes fuentes de energía es el MSL (Curiosity) que aterrizó en agosto de 2012, que utiliza RTG de plutonio. Tiene un brazo robótico más grande y más complejo y más instrumentación que el Spirit y el Opportunity con energía fotovoltaica. Sin embargo, los tres están en el mismo planeta.

AFIK, lo más lejos que ha ido o irá una nave espacial utilizando energía fotovoltaica es la misión de retorno de muestra del cometa Stardust con seis metros cuadrados y medio de paneles solares (http://stardust.jpl.nasa.gov/tech/misc. html)

Pero entonces, las opiniones profesionales varían. No soy ingeniero de sistemas de naves espaciales. Ross McCluney, que tampoco era ingeniero de naves espaciales sino un experto en energía solar, creía que una nave espacial a Saturno podría funcionar con energía solar y había causado cierta controversia antes del lanzamiento de Cassini, una nave espacial impulsada por RTG. Lea http://www.space4peace.org/cassini/solar.htm o http://depletedcranium.com/responding-to-ross-mccluney-comments/ para conocer los antecedentes. Pero los ingenieros experimentados del JPL están de acuerdo en que no es práctico utilizar energía fotovoltaica en Saturno.