Sonda espacial

Uno de los dos conjuntos de paneles solares que proporcionan energía a la sonda espacial Juno.

Los paneles solares están formados por un conjunto de células fotovoltaicas, cada una de las cuales transforma la energía solar por efecto fotoeléctrico en corriente eléctrica continua. Cada celda solar está hecha de un material semiconductor conectado con conexiones eléctricas. Se pueden utilizar varios tipos de materiales, como el silicio o el GaAs, más eficaz pero más caro. Las células más eficientes están formadas por varias capas muy finas de materiales semiconductores, cada una de ellas capaz de convertir gran parte del espectro de la energía solar, que permiten alcanzar, en combinación con otros dispositivos, una eficiencia del 47 % (47 % de la energía del Sol se transforma en corriente eléctrica). La eficiencia de las celdas solares de los primeros satélites de los años 1960 era del 6%. Al conectar las celdas solares en serie (el polo positivo de una celda está conectado al polo negativo de otra celda) se aumenta el voltaje de la corriente producida, mientras que al conectarlas en paralelo (todos los polos positivos están conectados entre sí y todos los polos negativos están conectados entre sí) la intensidad de la corriente aumenta. El panel solar sirve como soporte físico para las celdas solares, contiene los circuitos eléctricos que conectan las celdas entre sí y mantiene las celdas dentro de un rango de temperatura aceptable. Se pueden unir varios paneles solares para formar una "ala". Generalmente, los paneles solares tienen bisagras y su orientación se puede cambiar con uno o dos grados de libertad. Generalmente mediante la modificación permanente de la inclinación de los paneles solares se pretende obtener, según los casos, la máxima energía si los rayos del sol inciden sobre el panel de forma perpendicular. Pero esta facilidad también se puede utilizar para reducir el ángulo de incidencia de los rayos solares con el fin de limitar el aumento de temperatura o para adaptar la producción de corriente a una menor demanda (la energía eléctrica producida decrece como el coseno del ángulo de incidencia de los rayos solares). En una sonda giratoria, los paneles solares recubren el cuerpo de forma cilíndrica y la mitad está a la sombra, mientras que la mayoría de las células no reciben el sol en un ángulo óptimo.[5]

Al nivel de la órbita de la Tierra, la energía eléctrica teóricamente disponible es de 1371 W/m² el 50% de la cual se puede transformar en energía eléctrica con las células solares más avanzadas. Abundante en los planetas interiores, la cantidad de energía disponible es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol. Así es como una sonda como la Juno enviada en órbita alrededor de Júpiter cinco veces más lejos del Sol de lo que recibe la Tierra con 25 (5×5) veces menos energía solar que a nivel de la Tierra. No obstante, la NASA optó por equipar esta sonda con paneles solares que, gracias a su superficie (45 m² de células solares) y su avanzada tecnología consiguen en estas condiciones proporcionar 428 vatios (y 15 kW en órbita terrestre). Pero a esta distancia del Sol, el uso de RTG es más frecuente.[5]

El rendimiento de los paneles solares de una sonda espacial se deteriora bajo la acción de varios fenómenos. La energía que recibe el panel solar que no se convierte en energía eléctrica se refleja en parte y en otra parte se convierte en calor lo que aumenta la temperatura de las células. Cuando su temperatura aumenta la celda solar produce una corriente de mayor voltaje pero el amperaje disminuye al igual que la potencia producida (P=V×I). Esta disminución en el rendimiento general es del 1 % por grado Celsius para las celdas de silicio y del 0,5 % para las celdas de GaAs. Además, unos cientos de horas después de su despliegue, el rendimiento de un panel solar disminuye en un 1% debido a los cambios químicos generados por la luz. Finalmente, el factor que más daño produce es la acción de partículas energéticas producidas por el viento solar o tormentas solares que dañan progresivamente la estructura cristalina. Así es como los paneles solares de la sonda Magellan, colocados en órbita alrededor de Venus, perdieron dos tercios de su capacidad durante su vida operativa. Esta degradación progresiva se tiene en cuenta en el dimensionamiento de los paneles solares en el momento del diseño de la sonda espacial.[5]

RTG de la sonda New Horizons.

Cuando la energía solar se vuelve demasiado débil debido a la distancia del Sol, uno o más generadores termoeléctricos de radioisótopos reemplazan los paneles solares para la producción de electricidad. Este generador eléctrico produce electricidad a partir del calor liberado por la descomposición radiactiva de materiales ricos en uno o más radioisótopos, generalmente plutonium 238 como dióxido de plutonio ²³⁸PuO
2. El calor se convierte en electricidad a través de termopar. La eficiencia energética se reduce: menos del 10% del calor producido se convierte en electricidad y el resto debe ser evacuado por radiadores. Para mejorar este rendimiento, la investigación actual está experimentando con los convertidores termoiónicos y los generadores de radioisótopos Stirling, que podrían aumentar la eficiencia general en cuatro pero requerirían mecanismos de movimiento de piezas que podrían atascarse con el tiempo. El generador termoeléctrico de radioisótopos es especialmente adecuado para la producción de energía eléctrica estable y duradera necesaria para los instrumentos a bordo de las sondas interplanetarias. Por lo tanto, el generador a bordo de la sonda New Horizons es capaz de proporcionar una fuente de alimentación estable de 200W a más de 50 años. Sin embargo, la presencia de plutonio 238 en una máquina susceptible de ser víctima de un fallo del lanzador, suscita fuertes temores en parte de la opinión pública a pesar de los dispositivos de protección (blindaje) que han demostrado ser una práctica eficaz.

Las sondas espaciales lanzadas a Júpiter o más allá, como Voyager 1, Cassini o New Horizons utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos para su suministro de energía. Sin embargo, gracias a la creciente eficiencia de las celdas solares, las dos últimas sondas espaciales desarrolladas para la exploración de Júpiter; la Juno y JUICE utilizan paneles solares que son sin embargo muy grandes (60 m² para la Juno). Estos generadores también se utilizaron en dos naves lanzadas hacia la superficie de Marte; Viking 1 y 2 y el rover Curiosity porque permiten superar el ciclo día/noche y son insensibles a los depósitos de polvo. Los generadores proporcionan potencias modestas: 100 W (45 kg) para Curiosity, 300 W (~56 kg) para las sondas espaciales americanas en servicio a principios del siglo XXI. Para satisfacer sus necesidades eléctricas, algunas sondas llevan hasta tres generadores (Cassini, Voyager).