Ist das Abwärme-(Senken-)System davon abhängig, ob die Energiequelle Kernenergie oder Solarenergie ist?

Diese Frage ist sehr schwer zu beantworten, da die Antwort viel mehr von den Missionen und anderen Designparametern abhängt als vom tatsächlichen Design.

Zunächst möchte ich das Wärmeproblem ansprechen: Tatsächlich erzeugen Solarzellen viel Wärme. Aus diesem Grund sind bei Beobachtungssatelliten typischerweise die Solarzellen weit von der Kamera entfernt. Aber Kernkraftwerke auch. Auch für diese Frage berücksichtige ich nur Energiezellen, die den natürlichen Kernzerfall (oder Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) verwenden, also keinen Kernspaltungsreaktor.

Das Schöne am Weltraum ist, dass jeder Strom, der nicht genutzt wird, auf irgendeine Weise zu Wärme wird. Es gibt keine Verluste durch Schleppen oder ähnliches. Das alles muss also als Wärme abgeführt werden.

Jetzt kommt Abwärme von mehreren verschiedenen Wirkungsgraden:

• Umgang mit der Ausrüstung (Drehmoment erstellen/Fotografieren/Datenübertragung..) -$\eta_{equip}$
• Die elektrische Ausrüstung (Batterien, Verkabelung)$\eta_{e}$
• Wirkungsgrad der Stromquelle$\eta_p$

Wenn wir nun die gleiche Nettoleistung bereitstellen wollen$W_{net}$Wir können nur die Wirkungsgrade vergleichen.

Ausrüstungseffizienz
Abgesehen von geringfügigen Abweichungen in den geometrischen Beschränkungen ist die Effizienz sowohl für nukleare als auch für solarbetriebene Satelliten nahezu gleich – sie kann also vernachlässigt werden.

Effizienz der elektrischen Ausrüstung
Wo Atomkraft immer stabil arbeitet. (Oder zumindest fast, wenn man bedenkt, dass die Halbwertszeit von Plutonium/Uran ziemlich lang ist). Solarenergie ist wirklich nicht so einfach zu erzeugen, die Sonneneinstrahlung nimmt mit dem umgekehrten Quadrat der Entfernung von der Sonne ab. (Zum Beispiel wurde die Rosetta-Sonde für 31 Monate in den Winterschlaf
versetzt) ​​Und für himmelskreisende Satelliten muss die Zeit berücksichtigt werden, in der sie sich im Schatten des Planeten befindet. - Darüber hinaus sind Solarmodule immer ziemlich groß und erfordern eine Menge Verkabelung, um jede einzelne Zelle zu verbinden.

$\eta_{e,s} < \eta_{e,n}$Angesichts der modernen Fortschritte bei der Speicherung elektrischer Energie ist dies jedoch recht gering$\eta_{e} \approx 0.93-0.96$- Mit einer Kernkraftzelle könnte also nur ein Prozentsatz oder so gewonnen werden, aber das hängt ganz vom Missionsprofil ab.

Energieeffizienz
Dies ist wahrscheinlich der größte Verlust bei Raumfahrzeugen und wird der entscheidende Faktor sein:

In RTG-Motoren erwärmt typischerweise der natürliche Zerfall der Atome eine andere feste Substanz. Diese Materie verwendet dann die elektrostatische Umwandlung, um Strom zu erzeugen. Blick auf die Effizienz des Curiosity Rovers$\eta_p = 125/2000 = 0.125$

Es gibt jedoch einen umsetzungsreifen Vorschlag, anstelle der elektrostatischen Umwandlung einen Stirlingmotor zu verwenden. Die erhitzten Platten würden dann ein Gas erhitzen, das dann durch den Stirlingmotor (ASRG genannt) strömt. Die von der NASA vorhergesagte Effizienz steigt auf etwa 0,25.

Auch Solarmodule verlieren viel Strom. Dies hat meistens mit der Bandlücke des verwendeten Halbleiters zu tun. (Germanium, Silizium). Bedenken Sie der Einfachheit halber, dass keine Strahlung reflektiert wird.

Wenn ein Photon auf eine Solarzelle trifft, können grundsätzlich 3 Dinge passieren:
Das Photon hat weniger Energie als die Elektronen benötigen, um die Lücke zu überspringen -> die gesamte Energie des Photons geht verloren und wird in Wärme umgewandelt.
Das Photon hat genau die richtige Energiemenge -> die gesamte Energie des Photons wird in elektrische Leistung umgewandelt Das Photon hat mehr Energie als zum Überspringen der Lücke benötigt wird -> der Teil der Energie, der zum Springen benötigt wird, wird verbraucht, der Rest in Wärme umgewandelt.

Wie Sie sehen können, ist der Wirkungsgrad daher eine Funktion des erwarteten typischen Wellenlängenprofils - und auch des verwendeten Materials (und heutzutage werden Mehrfachsolarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken immer beliebter). Typische Wirkungsgrade von Solaranlagen liegen in der Größenordnung von 0,25 (Mehrfachzellen werden in der realen Anwendung für die Raumfahrt noch nicht viel verwendet).

Für RTGs kommen wir herum:

Also ja, Solarzellen erzeugen viel weniger Wärme. Und allein für das Wärmemanagement sind Kernkraftwerke eine schlechte Idee. Stirlingmotoren könnten jedoch den Ausschlag geben. (Obwohl ähnlich Multijunction auch Solarzellen erhöhen könnte).

Nun zur Gesamtmasse - das ist ein noch breiteres Thema, das ich hier nicht ansprechen werde. Man muss berücksichtigen, dass Sie auch eine minimale Leistung zum Betrieb benötigen und mehr Solarmodule auch mehr Masse / zunehmend komplexere Designs erfordern.