Domanda:
Quanto lontano dal Sole può essere utilizzata l'energia solare come fonte di energia affidabile?
JohnB
2013-07-22 15:35:33 UTC
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Le sonde spaziali dirette ai confini del nostro Sistema Solare si affidano a generatori termoelettrici a radioisotopi per l'energia ( Cassini – Huygens, Voyager 1, Voyager 2).

Presumibilmente questo è dovuto al fatto che l'energia solare non è fattibile a grandi distanze dal Sole. Con l'attuale tecnologia disponibile, qual è considerata la "zona sicura" in cui i pannelli solari possono essere utilizzati come fonte affidabile per alimentare un veicolo spaziale?

Usando la nostra tecnologia attuale o supponendo di poter sfruttare il 100% di ciò che ha raggiunto una distanza specifica?
@RhysW utilizza preferibilmente la nostra tecnologia attuale, non assumendo la perfezione teorica. Aggiornerò la mia domanda
Vedi anche [* questa domanda riguardava la sicurezza RTG e le alternative per l'esplorazione del sistema solare esterno *] (http://space.stackexchange.com/questions/17/are-there-any-safe-to-launch-alternatives-to- rtgs-for-outer-solar-system-explor).
Vedi anche [* questa domanda sull'energia solare concentrata *] (http://space.stackexchange.com/questions/110/what-is-the-status-of-concentrated-solar-energy-cse-in-space-exploration ).
Correlati: http://physics.stackexchange.com/questions/36041/how-far-from-the-sun-is-a-photovoltaic-effective
Due risposte:
#1
+12
gerrit
2013-07-22 16:32:19 UTC
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Ci sono almeno due problemi con le celle solari fotovoltaiche (non considerando i concentratori) nel sistema solare esterno: la bassa potenza del sole e la bassa temperatura delle celle.

Per la missione Cassini su Saturno (9-10 UA dal Sole), la NASA ha studiato il solare come alternativa. Hanno calcolato la superficie che sarebbe stata richiesta e hanno concluso che la massa degli array solari richiesti si tradurrebbe in un veicolo spaziale con una massa superiore a qualsiasi cosa che potrebbe essere lanciata con la tecnologia esistente e che inibirebbe gravemente la manovrabilità. Hanno concluso che sarebbe stato possibile, ma che il costo scientifico sarebbe stato troppo alto:

Dalla Dichiarazione sull'impatto ambientale Cassini, capitolo 2, pagina 2-53 in poi. Per una configurazione alternativa,

L'aggiunta di questa matrice di dimensioni, in combinazione con le altre modifiche necessarie per implementare l'energia solare, ha aumentato la massa a secco del veicolo spaziale di 1.337 kg (2.948 lb). Con la massa dei propellenti, della sonda Huygens e dell'adattatore di lancio, la massa totale del veicolo spaziale aumenterebbe a 7.228 kg (15.935 lb), superando di gran lunga la capacità di lancio del Titan IV (SRMU) / Centaur di 6.234 kg (13.743 lb) ) per una traiettoria verso Saturno (JPL 1994a).

o, per un altro,

Per ridurre ulteriormente la dimensione degli array, la potenza disponibile agli strumenti scientifici è stato ridotto del 50 per cento. A causa del grande momento di inerzia creato 2 dai grandi pannelli solari (397 m² [4.269 ft²] e 585 kg [1.290 lb]) (JPL 1994a), il tempo necessario per girare e manovrare il veicolo spaziale durante la sua esplorazione del sistema saturniano aumenterebbe di un fattore compreso tra 4 e 18 rispetto al veicolo spaziale compatto alimentato da RTG. Gli impatti risultanti sugli obiettivi scientifici della missione sarebbero gravi e includerebbero tempi più lunghi per i mosaici di immagini, velocità di rotazione inadeguate per campi e strumenti di particelle, immagine ridotta risoluzione a causa di una compensazione inadeguata del movimento del bersaglio, perdita del tempo di osservazione dello strumento durante le virate per comunicare con la Terra e velocità di virata insufficienti per supportare l'osservazione radar della superficie avvolta dalle nuvole di Titano.

Più recentemente, due le missioni su Giove (4,9-5,5 AU dal Sole) utilizzano pannelli solari: Juno della NASA sta attualmente (2013) navigando verso Giove, previsto per agosto 2016. Juice dell'ESA è per il lancio nel 2022. Entrambi utilizzano solare fotovoltaico e sono i veicoli spaziali più lontani a farlo fino ad oggi.

C'è un altro aspetto sfortunato in questa storia. Politica e finanziamento. Nella progettazione della missione, * sceglierai * gli RTG in molti casi verso Giove e oltre. I vantaggi sono schiaccianti. Tuttavia, i finanziamenti non sempre lo consentono. Juno utilizza i pannelli solari per * risparmiare denaro *. Dimentica l'ingegneria. Inoltre, le missioni ESA non consentono RTG. È un pazzo casino politico in Europa, quindi le cose nello spazio profondo dell'ESA useranno sempre qualcos'altro. Ancora una volta non c'è un ragionamento tecnico dietro questa decisione nel caso di Juice.
@ernestopheles In che modo il costo non è un aspetto intricato della progettazione della missione? E ci sono buone ragioni per cui l'ESA non consente gli RTG; [Il plutonio non è divertente] (http://space.stackexchange.com/q/17/33). Mars '86 sta ancora marcendo da qualche parte sulle Ande insieme al suo plutonio altamente tossico, e se il tipo di incidente accaduto di recente con il razzo Proton che trasporta Glonass si verifica quando a bordo ci sono 5 kg di plutonio, i costi di pulizia sono immensi e chissà come molte persone si ammalano di cancro. Le dichiarazioni EIS della NASA collegate alla domanda che ho collegato contengono maggiori dettagli.
Naturalmente, si possono discutere i pro e i contro e gli RTG hanno sicuramente vantaggi ingegneristici. Ma non sono d'accordo che non ci sia * nessun * ragionamento tecnico. La sicurezza è una questione tecnica. La scelta nell'equilibrio tra costo, sicurezza, vantaggi scientifici ecc., È in definitiva politica, ma gli aspetti ingegneristici come quelli presentati negli EIS della NASA sono rilevanti.
Da un punto di vista etico sono d'accordo. Da un punto di vista tecnico, sono una di quelle "pressioni" per consentire gli RTG nelle missioni ESA ogni volta che posso. È un po 'strano, lo so. Anche la sicurezza è un problema, ma è più un problema del lanciatore e delle persone che fanno bene il loro lavoro. È di gran lunga la migliore tecnologia disponibile, quindi perché non usarla, correre un rischio e gestirla in modo professionale? (Penso che dovremmo togliere questa discussione da questo posto ...)
Mi piacerebbe vedere una risposta ben documentata a [questa domanda rilevante] (http://space.stackexchange.com/q/24/33)!
#2
+8
mins
2015-01-16 04:22:54 UTC
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Presumibilmente ciò è dovuto al fatto che l'energia solare non è fattibile a grandi distanze dal Sole.

Esiste la possibilità di utilizzare l'energia solare fintanto che gli array ricevono una quantità di energia maggiore del livello di lavoro di una cella fotovoltaica. Questo include l'intero sistema solare. L'usabilità della cella solare a bassa intensità è in costante miglioramento.

Ma, giusto ... essere in grado di raccogliere solo pochissima energia non è sufficiente per alimentare nessuna sonda spaziale per il momento.


Con la corrente tecnologia disponibile, qual è considerata la "zona sicura" in cui i pannelli solari possono essere utilizzati come fonte affidabile per alimentare un velivolo spaziale?

L'energia richiesta per una data missione può essere ottenuta regolando la dimensione dei pannelli solari, ma questa regolazione ha un limite superiore. L'altro modo per utilizzare celle più efficienti:

Da Wikipedia:

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Immagine più grande.

"Le efficienze delle celle sono misurate in condizioni di test standard (STC) se non diversamente specificato. STC specifica una temperatura di 25 ° C e un irraggiamento di 1000 W / m² con una massa d'aria 1,5 (AM1. 5) spettro. [...] Questo rappresenta il mezzogiorno solare vicino agli equinozi di primavera e autunno negli Stati Uniti continentali con la superficie della cellula rivolta direttamente al sole. "

Le cellule lavorano all'esterno di STC molto bene, non appena le condizioni di lavoro sono prese in considerazione nella progettazione:

"Le missioni planetarie interne e le missioni per studiare il sole entro pochi raggi solari richiedono pannelli solari in grado di resistere alle temperature sopra i 450 ° C e funzionano ad alte intensità solari (HIHT). Le missioni planetarie esterne richiedono sistemi solari che possano funzionare a basse intensità solari e basse temperature (LILT). Oltre alle missioni vicino al sole, anche le missioni su Giove e le sue lune richiedono pannelli solari in grado di resistere a livelli di radiazione elevati. " (Fonte: celle solari e array spaziali - Bailey, Raffaelle)

Esistono anche diverse possibilità per concentrare la luce sulle cellule per prevenire il degrado dell'efficienza a bassa intensità e per ottenere più energia dalla stessa area della cella:

Utilizzabilità pratica dei pannelli solari nello spazio

Nel complesso, questo studio della Nasa (2007) presume che i pannelli solari siano praticamente utilizzabili fino all'orbita di Giove (5,2 UA, prodotti Ultraflex) e che Saturno (10 AU) sarà realizzabile a breve termine.

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(missione Juno per Giove)

"Array Ultraflex a breve termine e state-of- Le celle multi giunzione artistiche possono fornire la capacità di eseguire missioni a bassa potenza (200-300 W) fino a 10 UA. "

Tuttavia, è necessario prendere in considerazione diversi fattori.


Dimensioni dei pannelli solari

La quantità di energia ricevuta a una certa distanza dal Sole è determinata da una legge del quadrato inverso. Vedi questa domanda su Physics.SE per maggiori dettagli:

"Il fotovoltaico funziona benissimo vicino alla Terra, a 1 UA dal Sole, dove riceviamo circa 1400 Watt per metro quadrato [...] A Saturno, a circa 10 UA dal Sole, c'è un centesimo di potenza. Va bene, se un veicolo spaziale trasporta pannelli solari 100 volte più grandi di quelli che sarebbero usati vicino alla Terra. " - Per Missione Juno: "Il suo array planare di 45 m² produce 9,6 kW BOL a 1 AU e 414 W a 5,5 AU"

BOL / inizio vita: efficienza delle celle diminuisce con il tempo, poiché sono esposti a radiazioni (protoni, UV, IR, ecc.).

Il primo problema sorge in termini di dimensioni degli array per fornire l'energia elettrica di cui hai bisogno e se il veicolo spaziale può ospitare tale dimensione o no.

Eclipse

La navicella in orbita attorno a un corpo celeste non riceverà la luce del sole quando si trova dietro questo corpo. È richiesta una media di immagazzinamento dell'energia.

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(Fonte: Britannica)

Albedo planetario

Un corpo celeste può riflettere la luce del sole sugli array di sonde, aumentando la produzione di energia.

Robustezza degli array

Gli array possono essere distrutti durante il lancio , o in orbita da detriti. Man mano che diventano più grandi, la loro robustezza è difficile da mantenere senza aggiungere massa al sistema.

Costo del lancio

Maggiore è l'energia richiesta o più lontano il veicolo spaziale dal Sole, più costosi sono gli array a causa delle loro dimensioni. Anche il costo del lancio è influenzato dalla corrispondente variazione di massa.

Ad un certo punto altre fonti di energia diventeranno più economiche da costruire e da lanciare.

Massima corrente di uscita

Se la missione ha bisogno di più corrente di quella che gli array sono in grado di produrre, e non è adatto per aumentare le dimensioni degli array, quindi l'energia deve essere immagazzinata alla velocità che l'array può erogarla, quindi consumata alla velocità più alta richiesta fino a quando la batteria è scarica quindi attendere che la batteria venga ricaricata.

Lavorare in modo discontinuo può essere accettabile o meno. Inoltre l'efficacia della batteria diminuisce nel tempo e la polvere o il propellente possono attenuare le radiazioni solari. Le missioni lunghe potrebbero non essere in grado di risolvere questi problemi.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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