Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen - Solar panels on spacecraft

Ein Solarpanel-Array der Internationalen Raumstation ( Expedition 17 Crew, August 2008)

Raumfahrzeuge, die im inneren Sonnensystem betrieben werden, sind normalerweise auf den Einsatz von Photovoltaik- Solarzellen angewiesen , um Strom aus Sonnenlicht zu gewinnen . Außerhalb der Umlaufbahn des Jupiter ist die Sonnenstrahlung zu schwach, um im Rahmen der derzeitigen Solartechnologie und der Massebeschränkungen von Raumfahrzeugen ausreichend Energie zu erzeugen, daher werden stattdessen thermoelektrische Radioisotopengeneratoren (RTGs) als Energiequelle verwendet.

Geschichte

Das erste Raumschiff, das Sonnenkollektoren verwendete, war der Satellit Vanguard 1 , der 1958 von den USA gestartet wurde. Dies war hauptsächlich auf den Einfluss von Dr. Hans Ziegler zurückzuführen , der als Vater der Solarenergie von Raumschiffen angesehen werden kann. Der Satellit wurde von Siliziumsolarzellen mit einer Umwandlungseffizienz von ≈10% angetrieben.

Verwendet

Die Sonnenkollektoren auf dem SMM-Satelliten lieferten elektrische Energie. Hier wird es von einem Astronauten in einem mobilen Raumanzug eingefangen, der mit chemischer Batterie betrieben wird.

Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen liefern Energie für zwei Hauptanwendungen:

Für beide Anwendungen ist die spezifische Leistung (erzeugte Watt dividiert durch die Masse der Solaranlage) eine wichtige Kennzahl der Solarmodule , die auf relativer Basis angibt, wie viel Leistung eine Anlage für eine gegebene Startmasse im Verhältnis zu einer anderen erzeugt. Eine weitere wichtige Kennzahl ist die Effizienz der verstauten Packung (bereitgestellte produzierte Watt geteilt durch das verstaute Volumen), die angibt, wie leicht das Array in eine Trägerrakete passt. Eine weitere wichtige Kennzahl sind die Kosten (Dollar pro Watt).

Um die spezifische Leistung zu erhöhen, verwenden typische Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen dicht gepackte Solarzellenrechtecke, die fast 100% der von der Sonne sichtbaren Fläche der Sonnenkollektoren abdecken, anstatt die Solarwaferkreise , die, obwohl sie dicht gepackt sind, etwa 90% der von der Sonne sichtbaren Fläche typischer Sonnenkollektoren auf der Erde. Einige Sonnenkollektoren auf Raumfahrzeugen haben jedoch Solarzellen, die nur 30% der von der Sonne sichtbaren Fläche abdecken.

Implementierung

Schema des Spacecraft Bus auf dem geplanten James Webb Space Telescope , das von Sonnenkollektoren angetrieben wird (in dieser 3/4 Ansicht grün gefärbt). Beachten Sie, dass kürzere hellviolette Verlängerungen Heizkörperblenden und keine Sonnenkollektoren sind.

Sonnenkollektoren müssen eine große Oberfläche haben, die auf die Sonne gerichtet werden kann, wenn sich das Raumfahrzeug bewegt. Eine größere exponierte Oberfläche bedeutet, dass mehr Strom aus Lichtenergie der Sonne umgewandelt werden kann. Da Raumfahrzeuge klein sein müssen, begrenzt dies die Menge an Energie, die erzeugt werden kann.

Alle Stromkreise erzeugen Abwärme ; Darüber hinaus fungieren Solaranlagen als optische und thermische sowie elektrische Kollektoren. Von ihren Oberflächen muss Wärme abgestrahlt werden. Hochleistungs-Raumfahrzeuge können Solarzellen aufweisen, die mit der aktiven Nutzlast selbst um die Wärmeableitung konkurrieren. Das innerste Feld von Arrays kann "leer" sein, um die Überlappung von Ansichten im Raum zu reduzieren . Zu solchen Raumfahrzeugen gehören die Kommunikationssatelliten mit höherer Leistung (z. B. TDRS der späteren Generation ) und Venus Express , die nicht leistungsstark sind, aber näher an der Sonne liegen.

Raumfahrzeuge sind so gebaut, dass die Sonnenkollektoren geschwenkt werden können, wenn sich das Raumfahrzeug bewegt. So können sie immer im direkten Weg der Lichtstrahlen bleiben, egal wie das Raumfahrzeug ausgerichtet ist. Raumschiffe sind normalerweise mit Sonnenkollektoren ausgestattet, die immer auf die Sonne gerichtet werden können, selbst wenn sich der Rest des Raumschiffs bewegt, ähnlich wie ein Panzerturm unabhängig davon ausgerichtet werden kann, wohin der Panzer fährt. Ein Nachführmechanismus ist oft in die Solarzellen eingebaut, um die Anordnung auf die Sonne gerichtet zu halten.

Manchmal richten Satellitenbetreiber die Sonnenkollektoren absichtlich so aus, dass sie "off Point" sind oder nicht direkt von der Sonne ausgerichtet sind. Dies geschieht, wenn die Batterien vollständig geladen sind und die benötigte Strommenge geringer ist als die produzierte Strommenge; Off-Pointing wird manchmal auch auf der Internationalen Raumstation zur Reduzierung des Bahnwiderstands verwendet .

Probleme mit ionisierender Strahlung und Minderung

Juno ist das zweite Raumschiff, das Jupiter umkreist und das erste solarbetriebene Raumfahrzeug, das dies tut.

Der Weltraum enthält unterschiedliche Mengen an elektromagnetischer Strahlung sowie ionisierender Strahlung. Es gibt 4 Strahlungsquellen: die Strahlungsgürtel der Erde (auch Van-Allen-Gürtel genannt), galaktische kosmische Strahlung (GCR), Sonnenwind und Sonneneruptionen . Die Van-Allen-Gürtel und der Sonnenwind enthalten hauptsächlich Protonen und Elektronen, während GCR hauptsächlich aus sehr energiereichen Protonen, Alphateilchen und schwereren Ionen bestehen. Sonnenkollektoren werden aufgrund dieser Strahlungsarten im Laufe der Zeit eine Verschlechterung der Effizienz erfahren, aber die Verschlechterungsrate wird stark von der Solarzellentechnologie und vom Standort des Raumfahrzeugs abhängen. Bei Verkleidungen aus Borosilikatglas kann dies zwischen 5-10% Effizienzverlust pro Jahr liegen. Andere Glasabdeckungen wie Quarzglas und Bleigläser können diesen Wirkungsgradverlust auf weniger als 1 % pro Jahr reduzieren. Die Abbaurate ist eine Funktion des differentiellen Flussspektrums und der ionisierenden Gesamtdosis.

Typische Solarzellentypen

Bis Anfang der 1990er Jahre wurden in Weltraum-Solararrays hauptsächlich kristalline Siliziumsolarzellen verwendet . Seit den frühen 1990er Jahren wurden auf Galliumarsenid basierende Solarzellen gegenüber Silizium bevorzugt, da sie einen höheren Wirkungsgrad haben und sich in der Weltraumstrahlungsumgebung langsamer zersetzen als Silizium. Die effizientesten Solarzellen, die derzeit in Produktion sind, sind heute Mehrfach-Photovoltaikzellen . Diese verwenden eine Kombination mehrerer Schichten aus Indium-Gallium-Phosphid, Gallium-Arsenid und Germanium, um mehr Energie aus dem Sonnenspektrum zu gewinnen. Leading-Edge-Multi-Junction-Zellen können 39,2 % bei nicht konzentrierter AM1.5G-Beleuchtung und 47,1 % bei konzentrierter AM1.5G-Beleuchtung überschreiten.

Raumschiffe, die Sonnenenergie verwendet haben

Sonnenkollektoren, die aus der Apollo-Teleskophalterung herausragen, versorgen die Instrumente des Solarobservatoriums auf der Skylab-Station mit Energie, die auch über eine zusätzliche Anordnung auf dem Hauptraumfahrzeug verfügte

Bis heute war Sonnenenergie, außer für den Antrieb, praktisch für Raumschiffe, die nicht weiter von der Sonne entfernt als die Umlaufbahn des Jupiter betrieben werden . Zum Beispiel nutzten Juno , Magellan , Mars Global Surveyor und Mars Observer Sonnenenergie, ebenso wie das erdumlaufende Weltraumteleskop Hubble . Die am 2. März 2004 gestartete Raumsonde Rosetta nutzte ihre 64 Quadratmeter (690 sq ft) großen Sonnenkollektoren bis zur Umlaufbahn des Jupiter (5,25 AE ); zuvor war die weiteste Verwendung die Raumsonde Stardust bei 2 AE. Auch bei der europäischen Mondmission SMART-1 mit Hall-Effekt-Triebwerk wurde Solarstrom zum Antrieb verwendet .

Die Juno- Mission, die 2011 gestartet wurde, ist die erste Mission zum Jupiter (die am 4. Juli 2016 auf Jupiter eingetroffen ist), bei der Sonnenkollektoren anstelle der herkömmlichen RTGs verwendet werden, die bei früheren Missionen des äußeren Sonnensystems verwendet wurden, und ist damit die am weitesten entfernte Raumsonde Sonnenkollektoren bis heute. Es hat 72 Quadratmeter (780 sq ft) Paneele.

Der Insight , Ingenuity Hubschrauber , Tianwen-1 Orbiter und Zhurong Rover arbeiten zur Zeit auf dem Mars auch Solarzellen für den Betrieb verwenden.

Ein weiteres interessantes Raumschiff ist Dawn, das 2011 um 4 Vesta in die Umlaufbahn ging . Es verwendete Ionentriebwerke , um nach Ceres zu gelangen .

Das Potenzial für solarbetriebene Raumschiffe jenseits von Jupiter wurde untersucht.

Die Internationale Raumstation ISS verwendet auch Solaranlagen, um alles auf der Station mit Strom zu versorgen. Die 262.400 Solarzellen bedecken eine Fläche von rund 2.500 m 2 . Es gibt vier Sätze von Solaranlagen, die die Station mit Strom versorgen, und der vierte Satz von Anlagen wurde im März 2009 installiert. Aus diesen Solaranlagen können 240 Kilowatt Strom erzeugt werden. Das entspricht einer durchschnittlichen Systemleistung von 120 Kilowatt, einschließlich 50 % ISS-Zeit im Erdschatten.

Für den Einsatz im Weltraum werden flexible Solaranlagen untersucht. Das Roll Out Solar Array (ROSA) wurde im Juli 2017 auf der Internationalen Raumstation ISS eingesetzt.

Zukünftige Verwendungen

Für zukünftige Missionen ist es wünschenswert, die Masse der Solarzellen zu reduzieren und die pro Flächeneinheit erzeugte Leistung zu erhöhen. Dies wird die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs reduzieren und kann den Betrieb von solarbetriebenen Raumfahrzeugen in größeren Entfernungen von der Sonne möglich machen. Die Masse der Solarzellen könnte mit Dünnschicht-Photovoltaikzellen, flexiblen Decksubstraten und Verbundträgerstrukturen reduziert werden. Die Effizienz von Solaranlagen könnte durch den Einsatz neuer Photovoltaik-Zellmaterialien und Solarkonzentratoren, die das einfallende Sonnenlicht intensivieren, verbessert werden. Photovoltaik-Konzentrator-Solararrays für die Primärenergie von Raumfahrzeugen sind Geräte, die das Sonnenlicht auf der Photovoltaik verstärken. Dieses Design verwendet eine flache Linse, eine sogenannte Fresnel-Linse , die eine große Fläche des Sonnenlichts aufnimmt und auf einen kleineren Punkt konzentriert, wodurch eine kleinere Solarzellenfläche verwendet werden kann.

Solarkonzentratoren setzen eine dieser Linsen über jede Solarzelle. Dadurch wird Licht aus dem großen Konzentratorbereich in den kleineren Zellbereich gebündelt. Dadurch kann die Menge an teuren Solarzellen um die Konzentrationsmenge reduziert werden. Konzentratoren funktionieren am besten, wenn es eine einzige Lichtquelle gibt und der Konzentrator direkt darauf gerichtet werden kann. Dies ist ideal im Weltraum, wo die Sonne eine einzige Lichtquelle ist. Solarzellen sind der teuerste Teil von Solarzellen, und Arrays sind oft ein sehr teurer Teil des Raumfahrzeugs. Diese Technologie kann durch den geringeren Materialeinsatz erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen.

Galerie

Siehe auch

Verweise