Questão:
A que distância do Sol a energia solar pode ser usada como fonte confiável de energia?
JohnB
2013-07-22 15:35:33 UTC
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As sondas espaciais que se dirigem para os confins de nosso Sistema Solar dependem de geradores termoelétricos de radioisótopos para fornecer energia ( Cassini – Huygens, Voyager 1, Voyager 2).

Presumivelmente, isso ocorre porque a energia solar não é viável em grandes distâncias do sol. Com a tecnologia atual disponível, o que é considerada a "zona segura" em que os painéis solares podem ser usados ​​como fonte confiável para alimentar uma nave espacial?

Usando nossa tecnologia atual ou presumindo que poderíamos aproveitar 100% do que quer que tenha alcançado uma distância específica?
@RhysW preferencialmente usando nossa tecnologia atual, não assumindo perfeição teórica. Vou atualizar minha pergunta
Veja também [* esta questão relacionada à segurança do RTG e alternativas para exploração do sistema solar externo *] (http://space.stackexchange.com/questions/17/are-there-any-safe-to-launch-alternatives-to- rtgs-for-outer-solar-system-explor).
Veja também [* esta questão sobre energia solar concentrada *] (http://space.stackexchange.com/questions/110/what-is-the-status-of-concentrated-solar-energy-cse-in-space-exploration )
Relacionado: http://physics.stackexchange.com/questions/36041/how-far-from-the-sun-is-a-photovoltaic-effective
Dois respostas:
#1
+12
gerrit
2013-07-22 16:32:19 UTC
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Existem pelo menos dois problemas com as células solares fotovoltaicas (sem considerar os concentradores) no sistema solar externo: a baixa potência do sol e a baixa temperatura das células.

Para a missão Cassini em Saturno (9–10 UA do Sol), a NASA investigou a energia solar como alternativa. Eles calcularam a área de superfície que seria necessária e concluíram que a massa dos painéis solares necessários resultaria em uma espaçonave com uma massa superior a qualquer coisa que pudesse ser lançada com a tecnologia existente e inibiria severamente a manobrabilidade. Eles concluíram que teria sido possível, mas que o custo científico seria muito alto:

Da Declaração de Impacto Ambiental da Cassini, capítulo 2, página 2-53 em diante. Para uma configuração alternativa,

A adição dessa matriz de tamanho, em conjunto com as outras modificações necessárias para implementar a energia solar, aumentou a massa seca da espaçonave em 1.337 kg (2.948 lb). Com a massa dos propelentes, a Sonda Huygens e o adaptador de lançamento, a massa total da espaçonave aumentaria para 7.228 kg (15.935 lb), excedendo em muito a capacidade de lançamento do Titan IV (SRMU) / Centauro de 6.234 kg (13.743 lb ) para uma trajetória para Saturno (JPL 1994a).

ou, para outro,

Para reduzir ainda mais o tamanho dos arrays, a potência disponível aos instrumentos científicos foi reduzido em 50%. Por causa do grande momento de inércia criado 2 pelos grandes painéis solares (397 m² [4.269 ft²] e 585 kg [1.290 lb]) (JPL 1994a), o tempo necessário para virar e manobrar a espaçonave durante sua exploração do sistema de Saturno aumentaria por um fator entre 4 e 18 em comparação com a espaçonave compacta movida a RTG. Os impactos resultantes nos objetivos científicos da missão seriam graves e incluiriam tempos aumentados para mosaicos de imagens, taxas de giro inadequadas para campos e instrumentos de partículas, imagem reduzida resolução devido à compensação inadequada de movimento do alvo, perda de tempo de observação do instrumento durante curvas para comunicação com a Terra e taxas de curva insuficientes para suportar a observação de radar da superfície envolta em nuvens de Titã.

Mais recentemente, dois missões a Júpiter (4,9–5,5 UA do Sol) usam painéis solares: o Juno da NASA está atualmente (2013) viajando para Júpiter, com previsão de chegada em agosto de 2016. O Juice da ESA está para lançar em 2022. Ambas usam energia solar fotovoltaica e são as espaçonaves mais distantes a fazer isso até hoje.

Há mais um aspecto infeliz nessa história. Política e financiamento. No design de missão, você * escolherá * os RTGs em muitos casos em direção a Júpiter e além. As vantagens são avassaladoras. No entanto, o financiamento nem sempre permite. Juno está usando painéis solares para * economizar dinheiro *. Esqueça a engenharia. Além disso, as missões da ESA não permitem RTGs. É uma bagunça política insana na Europa, então as coisas do espaço profundo da ESA sempre usarão outra coisa. Novamente, não há raciocínio técnico por trás dessa decisão no caso da Juice.
@ernestopheles Como o custo não é um aspecto intrincado do projeto de missão? E há boas razões pelas quais a ESA não permite RTGs; [Plutônio não é engraçado] (http://space.stackexchange.com/q/17/33). Marte '86 ainda está apodrecendo em algum lugar dos Andes junto com seu plutônio altamente tóxico, e se o tipo de acidente que aconteceu recentemente com o foguete Proton carregando o Glonass acontecer quando há 5 kg de plutônio a bordo, os custos de limpeza são imensos e quem sabe como muitas pessoas têm câncer. As declarações do NASA EIS vinculadas na pergunta que vinculei contêm mais detalhes.
Claro, pode-se discutir os prós e os contras, e os RTGs certamente têm vantagens de engenharia. Mas não concordo que * não * haja raciocínio técnico. A segurança é um problema técnico. A escolha do equilíbrio entre custo, segurança, vantagens científicas etc., é em última análise política, mas os aspectos de engenharia, como os apresentados nos EISs da NASAs, são relevantes.
Do ponto de vista ético, eu concordo. Do ponto de vista técnico, sou um daqueles 'lobbying' para permitir RTGs em missões da ESA sempre que posso. É um pouco estranho, eu sei. A segurança também é um problema, mas é mais uma questão do lançador e das pessoas fazendo seu trabalho direito. É de longe a melhor tecnologia disponível, então por que não usá-la, arriscar e lidar com ela profissionalmente? (Acho que devemos tirar essa discussão deste lugar ...)
Eu adoraria ver uma resposta bem documentada para [esta questão relevante] (http://space.stackexchange.com/q/24/33)!
#2
+8
mins
2015-01-16 04:22:54 UTC
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Presumivelmente, isso ocorre porque a energia solar não é viável em grandes distâncias do Sol.

Existe a possibilidade de usar energia solar, desde que as matrizes recebam uma quantidade de energia maior do que o nível de trabalho de uma célula foto voltaica. Isso inclui todo o sistema solar. A usabilidade da célula solar em baixa intensidade está melhorando constantemente.

Mas, certo ... ser capaz de coletar apenas muito pouca energia não é suficiente para alimentar qualquer sonda espacial por enquanto.


Com a corrente tecnologia disponível, o que é considerado a "zona segura" em que os painéis solares podem ser usados ​​como uma fonte confiável para alimentar uma nave espacial?

A energia necessária para uma dada missão pode ser obtida ajustando o tamanho dos painéis solares, mas este ajuste tem um limite superior. A outra forma é usar células mais eficientes:

Da Wikipedia:

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Imagem maior.

"As eficiências das células são medidas em condições de teste padrão (STC), a menos que indicado de outra forma. STC especifica uma temperatura de 25 ° C e uma irradiância de 1000 W / m² com uma massa de ar de 1,5 (AM1. 5) espectro. [...] Representa o meio-dia solar próximo aos equinócios da primavera e do outono no território continental dos Estados Unidos com a superfície da célula voltada diretamente para o sol. "

As células funcionam fora do STC muito bem, assim que as condições de trabalho forem levadas em consideração no projeto:

"As missões planetárias internas e as missões para estudar o sol dentro de alguns raios solares requerem arranjos solares capazes de suportar temperaturas acima de 450 ° C e funcionando em altas intensidades solares (HIHT). Missões planetárias externas requerem matrizes solares que podem funcionar em baixas intensidades solares e baixas temperaturas (LILT). Além das missões perto do sol, missões a Júpiter e suas luas também exigem matrizes solares que possam suportar altos níveis de radiação. " (Fonte: Space Solar Cells and Arrays - Bailey, Raffaelle)

Existem também diferentes possibilidades de concentrar luz nas células para evitar a degradação da eficiência de baixa intensidade e obter mais energia da mesma área da célula:

Utilização prática de painéis solares no espaço

No geral, este estudo da Nasa (2007) assume que os arranjos solares são praticamente utilizáveis ​​até a órbita de Júpiter (5,2 AU, produtos Ultraflex), e que Saturno (10 AU) missão será alcançável em curto prazo.

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(missão Juno para Júpiter)

"Arrays Ultraflex de curto prazo e estado de as células art multi-junção podem fornecer capacidade para realizar missões de baixa potência (200-300 W) até 10 UA. "

No entanto, vários fatores devem ser levados em consideração.


Tamanho dos painéis solares

A quantidade de energia recebida a alguma distância do Sol é determinada por uma lei do inverso do quadrado. Veja esta questão em Physics.SE para mais detalhes:

"PV funciona muito bem perto da Terra, a 1 UA do Sol, onde recebemos cerca de 1400 Watts por metro quadrado [...] Em Saturno, a quase 10AU do Sol, há 1/100 da potência. Tudo bem, se uma espaçonave carrega painéis solares 100 vezes maiores do que seriam usados ​​perto da Terra. " - Para Missão Juno: "Sua matriz plana de 45 m² produz 9,6 kW BOL a 1 UA e 414 W a 5,5 UA"

BOL / início de vida: Eficiência das células diminui com o tempo, à medida que são expostos a radiações (prótons, UV, IV, etc.).

O primeiro problema surge em termos de tamanho de matrizes para fornecer a energia elétrica de que você precisa, e se a espaçonave pode acomodar tal tamanho ou não.

Eclipse

A espaçonave em órbita ao redor de um corpo celestial não receberá a luz do Sol quando estiver atrás deste corpo. É necessário algum meio de armazenamento de energia.

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(Fonte: Britannica)

Albedo planetário

Um corpo celeste pode refletir a luz do Sol para as matrizes de sondas, aumentando a produção de energia.

Robustez das matrizes

As matrizes podem ser destruídas durante o lançamento , ou em órbita por detritos. À medida que se tornam maiores, sua robustez é difícil de manter sem adicionar massa ao sistema.

Custo do lançamento

Quanto maior a energia necessária, ou o mais longe a nave espacial do Sol, mais caras as matrizes devido ao seu tamanho. O custo do lançamento também é impactado pela variação correspondente na massa.

Em algum ponto, outras fontes de energia ficarão mais baratas para construir e lançar.

Saída máxima de corrente

Se a missão precisa de mais corrente do que os arrays são capazes de produzir, e não é adequado aumentar o tamanho dos arrays, então a energia deve ser armazenada na taxa que o array pode fornecer e, em seguida, consumida na taxa mais alta necessária até que a bateria se esgote, e aguarde até que a bateria seja carregada novamente.

Trabalhar descontinuamente pode ser aceitável ou não. Além disso, a eficácia da bateria diminui com o tempo e a poeira ou o propelente podem diminuir a radiação solar. As missões longas podem não ser capazes de acomodar esses problemas.



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