Paneles solares en naves espaciales

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Las naves espaciales que operan en el Sistema Solar interior suelen depender del uso de paneles solares fotovoltaicos controlados por electrónica de potencia para generar electricidad a partir de la luz solar . Fuera de la órbita de Júpiter , la radiación solar es demasiado débil para producir suficiente energía dentro de las limitaciones de la tecnología solar actual y de la masa de las naves espaciales, por lo que se utilizan en su lugar generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) como fuente de energía. ^{[1] [ fuente obsoleta ]}

Las primeras células solares prácticas basadas en silicio fueron presentadas por Russell Shoemaker Ohl, un investigador de Bell Labs, en 1940. Su eficiencia era de solo el 1%. El 25 de abril de 1954, en Murray Hill, Nueva Jersey, demostraron su panel solar utilizándolo para alimentar una pequeña noria de juguete y un transmisor de radio alimentado con energía solar.

Al principio tenían una eficiencia de alrededor del 6%, pero las mejoras comenzaron a aumentar esa cifra casi de inmediato. Bell se había interesado en la idea como sistema para suministrar energía a estaciones repetidoras telefónicas remotas, pero el costo de los dispositivos era demasiado alto para ser prácticos en esa función. Aparte de pequeños kits y usos experimentales, las celdas permanecieron prácticamente sin uso. ^[2]

Esto cambió con el desarrollo de la primera nave espacial estadounidense, el satélite Vanguard 1 , en 1958. Los cálculos del Dr. Hans Ziegler demostraron que un sistema que utiliza células solares que recargan un paquete de baterías proporcionaría la energía necesaria en un paquete general mucho más ligero que utilizando solo una batería. ^[3] El satélite estaba alimentado por células solares de silicio con una eficiencia de conversión de aproximadamente el 10%. ^[4]

El éxito del sistema Vanguard inspiró a Spectrolab , una empresa de óptica, a emprender el desarrollo de células solares diseñadas específicamente para aplicaciones espaciales. Obtuvieron su primer gran diseño en el Pioneer 1 en 1958, y más tarde serían las primeras células en viajar a la Luna, en el paquete ALSEP de la misión Apollo 11. A medida que los satélites crecían en tamaño y potencia, Spectrolab comenzó a buscar formas de introducir células mucho más potentes. Esto los llevó a ser pioneros en el desarrollo de células multiunión que aumentaron la eficiencia de alrededor del 12% para sus células de silicio de la década de 1970 a aproximadamente el 30% para sus células actuales de arseniuro de galio (GaAs). Este tipo de células se utilizan ahora casi universalmente en todas las naves espaciales alimentadas por energía solar. ^[5]

Los paneles solares de las naves espaciales suministran energía para dos usos principales:

• Energía para hacer funcionar los sensores, calefacción activa, refrigeración y telemetría.
• Energía para la propulsión de naves espaciales alimentadas eléctricamente , a veces llamada propulsión eléctrica o propulsión solar-eléctrica. ^[6]

Para ambos usos, una medida clave de la calidad de los paneles solares es la potencia específica (vatios generados divididos por la masa del conjunto solar ), que indica en términos relativos cuánta energía generará un conjunto para una masa de lanzamiento dada en relación con otro. Otra medida clave es la eficiencia de empaquetado (vatios desplegados producidos divididos por el volumen estibado), que indica la facilidad con la que el conjunto encajará en un vehículo de lanzamiento. Otra medida clave es el costo (dólares por vatio). ^[7]

Para aumentar la potencia específica, los paneles solares típicos de las naves espaciales utilizan rectángulos de células solares compactas que cubren casi el 100% del área visible del Sol de los paneles solares, en lugar de los círculos de obleas solares que, aunque compactas, cubren aproximadamente el 90% del área visible del Sol de los paneles solares típicos de la Tierra. Sin embargo, algunos paneles solares de las naves espaciales tienen células solares que cubren solo el 30% del área visible del Sol. ^[6]

Los paneles solares deben tener una gran superficie que pueda apuntar hacia el Sol a medida que la nave espacial se mueve. Una mayor superficie expuesta significa que se puede convertir más electricidad a partir de la energía luminosa del Sol. Como las naves espaciales tienen que ser pequeñas, esto limita la cantidad de energía que se puede producir. ^[1]

Todos los circuitos eléctricos generan calor residual ; además, los paneles solares actúan como colectores ópticos y térmicos, además de eléctricos. El calor debe irradiarse desde sus superficies. Las naves espaciales de alta potencia pueden tener paneles solares que compiten con la propia carga útil activa por la disipación térmica. El panel más interno de los paneles puede estar "en blanco" para reducir la superposición de vistas al espacio. Entre estas naves espaciales se incluyen los satélites de comunicaciones de mayor potencia (por ejemplo, el TDRS de última generación ) y Venus Express , que no es de alta potencia pero está más cerca del Sol. ^{[ cita requerida ]}

Las naves espaciales están construidas de manera que los paneles solares puedan girar a medida que la nave espacial se mueve. De esta manera, siempre pueden permanecer en la trayectoria directa de los rayos de luz sin importar hacia dónde esté dirigida la nave espacial. Las naves espaciales suelen estar diseñadas con paneles solares que siempre pueden apuntar al Sol, incluso cuando el resto del cuerpo de la nave espacial se mueve, de manera similar a la torreta de un tanque que puede apuntar independientemente de hacia dónde se dirija el tanque. A menudo, se incorpora un mecanismo de seguimiento a los paneles solares para mantenerlos apuntando hacia el Sol. ^[1]

En ocasiones, los operadores de satélites orientan deliberadamente los paneles solares de forma que no estén alineados con el Sol. Esto sucede si las baterías están completamente cargadas y la cantidad de electricidad necesaria es menor que la cantidad de electricidad producida; la orientación incorrecta también se utiliza a veces en la Estación Espacial Internacional para reducir la resistencia orbital . ^{[ cita requerida ]}

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El espacio contiene niveles variables de gran radiación electromagnética, así como radiación ionizante . Hay cuatro fuentes de radiación: los cinturones de radiación de la Tierra (también llamados cinturones de Van Allen), los rayos cósmicos galácticos (GCR), el viento solar y las erupciones solares . Los cinturones de Van Allen y el viento solar contienen principalmente protones y electrones, mientras que los GCR están compuestos en su mayoría por protones de muy alta energía, partículas alfa e iones más pesados. ^[9] Los paneles solares experimentarán una degradación de la eficiencia con el tiempo como resultado de estos tipos de radiación, pero la tasa de degradación dependerá en gran medida de la tecnología de la célula solar y de la ubicación de la nave espacial. Con cubiertas de paneles de vidrio de borosilicato, esto puede ser entre un 5-10% de pérdida de eficiencia por año. Otros revestimientos de vidrio, como sílice fundida y vidrios de plomo, pueden reducir esta pérdida de eficiencia a menos del 1% por año. La tasa de degradación es una función del espectro de flujo diferencial y la dosis ionizante total. ^{[ cita requerida ]}

Hasta principios de los años 1990, los paneles solares utilizados en el espacio utilizaban principalmente células solares de silicio cristalino . Desde principios de los años 1990, las células solares basadas en arseniuro de galio se han convertido en preferidas frente al silicio porque tienen una mayor eficiencia y se degradan más lentamente que el silicio en el entorno de radiación espacial. Las células solares más eficientes que se producen actualmente son las células fotovoltaicas de unión múltiple . Estas utilizan una combinación de varias capas de fosfuro de indio y galio, arseniuro de galio y germanio para captar más energía del espectro solar. Las células de unión múltiple de vanguardia son capaces de superar el 39,2 % con iluminación AM1.5G no concentrada y el 47,1 % utilizando iluminación AM1.5G concentrada. ^[10]

Hasta la fecha, la energía solar, excepto para propulsión, ha sido práctica para naves espaciales que operan a una distancia del Sol no mayor que la órbita de Júpiter . Por ejemplo, Juno , Magellan , Mars Global Surveyor y Mars Observer utilizaron energía solar, al igual que el telescopio espacial Hubble , que orbita la Tierra . La sonda espacial Rosetta , lanzada el 2 de marzo de 2004, utilizó sus 64 metros cuadrados (690 pies cuadrados) de paneles solares ^[11] hasta la órbita de Júpiter (5,25 UA ); anteriormente, el uso más lejano había sido la nave espacial Stardust a 2 UA. La energía solar para propulsión también se utilizó en la misión lunar europea SMART-1 con un propulsor de efecto Hall . ^[12]

La misión Juno , lanzada en 2011, es la primera misión a Júpiter (llegó a Júpiter el 4 de julio de 2016) que utiliza paneles solares en lugar de los RTG tradicionales que se utilizan en misiones anteriores al Sistema Solar exterior, lo que la convierte en la nave espacial más lejana en utilizar paneles solares hasta la fecha. ^{[13] [14]} Tiene 50 metros cuadrados (540 pies cuadrados) de paneles. ^{[15] [16]}

El módulo de aterrizaje InSight , el helicóptero Ingenuity , el orbitador Tianwen-1 y el explorador Zhurong , todos ellos actualmente en funcionamiento en Marte, también utilizan paneles solares.

Otra nave espacial de interés fue Dawn , que entró en órbita alrededor de Vesta en 2011. Utilizó propulsores iónicos para llegar a Ceres . ^[17]

Se ha estudiado el potencial de naves espaciales impulsadas por energía solar más allá de Júpiter. ^[18]

La Estación Espacial Internacional también utiliza paneles solares para alimentar todo lo que hay en ella. Las 262.400 células solares cubren alrededor de 2.500 m2 ^de espacio. Hay cuatro conjuntos de paneles solares que alimentan la estación y el cuarto conjunto de paneles se instaló en marzo de 2009. Se pueden generar 240 kilovatios de electricidad a partir de estos paneles solares. Esto equivale a una potencia media del sistema de 120 kilovatios, incluido el 50% del tiempo que la ISS pasa a la sombra de la Tierra. ^[19]

Para futuras misiones, es deseable reducir la masa de los paneles solares y aumentar la energía generada por unidad de área. Esto reducirá la masa total de la nave espacial y puede hacer que la operación de naves espaciales alimentadas con energía solar sea factible a mayores distancias del sol. La masa de los paneles solares podría reducirse con células fotovoltaicas de película delgada, sustratos de manta flexible y estructuras de soporte compuestas. La eficiencia de los paneles solares podría mejorarse mediante el uso de nuevos materiales para células fotovoltaicas y concentradores solares que intensifiquen la luz solar incidente. Los paneles solares concentradores fotovoltaicos para la energía primaria de la nave espacial son dispositivos que intensifican la luz solar sobre los fotovoltaicos. Este diseño utiliza una lente plana, llamada lente Fresnel , que toma una gran área de luz solar y la concentra en un punto más pequeño, lo que permite utilizar un área más pequeña de célula solar.

Los concentradores solares colocan una de estas lentes sobre cada célula solar. Esto enfoca la luz desde la gran área del concentrador hacia la pequeña área de la célula. Esto permite reducir la cantidad de células solares costosas en función de la concentración. Los concentradores funcionan mejor cuando hay una sola fuente de luz y el concentrador puede apuntar directamente hacia ella. Esto es ideal en el espacio, donde el Sol es una única fuente de luz. Las células solares son la parte más cara de los paneles solares, y los paneles suelen ser una parte muy cara de la nave espacial. Esta tecnología puede permitir reducir significativamente los costos debido a la utilización de menos material. ^[20]

• 
  Vanguard 1 , el primer satélite alimentado con energía solar
• 
  La sonda espacial Juno
• 
  Una sección de uno de los paneles solares de Juno .
• 
  Tambor de paneles solares en Hughes Aircraft Company, hacia 1979
• 
  Paneles solares en la Estación Espacial Internacional , septiembre de 2000
• 
  Prueba de luz negra de las células solares de arseniuro de galio de triple unión de Dawn ^[21]
• 
  El módulo de aterrizaje Philae de Rosetta
• 
  Las baterías del helicóptero marciano Ingenuity están alimentadas por paneles solares.

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Paneles solares de naves espaciales .

• Para los paneles solares de la Estación Espacial Internacional , véase Paneles solares de la ISS o Sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional.
• El helicóptero Ingenuity Mars 2020 funciona con baterías alimentadas por paneles solares
• Energía nuclear en el espacio
• Sistema fotovoltaico
• Célula solar
• Energía solar basada en el espacio