Wie weit von der Sonne entfernt kann Solarstrom als zuverlässige Energiequelle genutzt werden?

Vermutlich liegt das daran, dass Solarenergie in großen Entfernungen von der Sonne nicht machbar ist.

Es besteht die Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen, solange die Arrays eine Energiemenge erhalten, die größer ist als das Arbeitsniveau einer Photovoltaikzelle. Dazu gehört das gesamte Sonnensystem. Die Verwendbarkeit der Solarzellen bei niedriger Intensität wird ständig verbessert.

Aber, richtig ... nur sehr wenig Energie sammeln zu können, reicht vorerst nicht aus, um eine Raumsonde anzutreiben.

Was wird bei der derzeit verfügbaren Technologie als „sichere Zone“ angesehen, in der Solaranlagen als zuverlässige Energiequelle für ein Raumschiff verwendet werden können?

Die für eine gegebene Mission erforderliche Energie kann durch Anpassung der Größe der Solarfelder erreicht werden, aber diese Anpassung hat eine Obergrenze. Der andere Weg, um effizientere Zellen zu verwenden:

Aus Wikipedia :

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"Die Zelleffizienzen werden unter Standardtestbedingungen (STC) gemessen, sofern nicht anders angegeben. STC spezifiziert eine Temperatur von 25 °C und eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² mit einem Luftmassenspektrum von 1,5 (AM1,5). [...] Dies stellt den Sonnenmittag in der Nähe der Frühlings- und Herbstäquinoktien in den kontinentalen Vereinigten Staaten dar, wobei die Oberfläche der Zelle direkt auf die Sonne gerichtet ist.

Zellen funktionieren außerhalb von STC sehr gut, sobald die Arbeitsbedingungen bei der Konstruktion berücksichtigt werden:

„Innere Planetenmissionen und Missionen zur Erforschung der Sonne innerhalb weniger Sonnenradien erfordern Solaranlagen, die Temperaturen über 450 °C standhalten und bei hohen Sonnenintensitäten (HIHT) funktionieren. Äußere Planetenmissionen erfordern Solaranlagen, die bei niedrigen Sonnenintensitäten und funktionieren können niedrige Temperaturen (LILT). Zusätzlich zu den sonnennahen Missionen erfordern Missionen zum Jupiter und seinen Monden auch Solaranlagen, die hohen Strahlungsniveaus standhalten können.“ (Quelle: Space Solar Cells and Arrays - Bailey, Raffaelle)

Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten, Licht auf Zellen zu konzentrieren, um eine Verschlechterung der Effizienz bei geringer Intensität zu verhindern und mehr Energie aus demselben Zellbereich zu gewinnen:

• Fokussiertechnologie _
• Gestrecktes Linsenarray SquareRigger – SLASR

Praktische Nutzbarkeit von Solaranlagen im Weltraum

Insgesamt geht diese Nasa-Studie (2007) davon aus, dass Solaranlagen bis in den Jupiter-Orbit (5,2 AE, Ultraflex- Produkte) praktisch einsetzbar sind und dass die Saturn-Mission (10 AU) in naher Zukunft erreichbar sein wird.

(Juno-Mission für Jupiter)

"Kurzfristig können Ultraflex-Arrays und hochmoderne Multi-Junction-Zellen die Fähigkeit bieten, Missionen mit geringer Leistung (200-300 W) bis zu 10 AU durchzuführen."

Es sind jedoch mehrere Faktoren zu berücksichtigen.

Größe der Solaranlagen

Die Energiemenge, die in einiger Entfernung von der Sonne empfangen wird, wird durch ein umgekehrtes Quadratgesetz bestimmt. Weitere Informationen finden Sie in dieser Frage zu Physics.SE :

„PV funktioniert hervorragend in der Nähe der Erde, bei 1 AE von der Sonne, wo wir etwa 1400 Watt pro Quadratmeter erhalten. […] Bei Saturn, fast 10 AE von der Sonne entfernt, gibt es 1/100 Leistung. Gut, wenn ein Raumschiff trägt Solaranlagen, die 100-mal größer sind als in der Nähe der Erde." -- Für die Juno-Mission : "Ihr 45 m² großes planares Array erzeugt 9,6 kW BOL bei 1 AU und 414 W bei 5,5 AU"

BOL / Beginn des Lebens: Die Effizienz der Zellen nimmt mit der Zeit ab, da sie Strahlungen (Protonen, UV, IR usw.) ausgesetzt sind.

Das erste Problem ergibt sich in Bezug auf die Größe der Arrays, um die benötigte elektrische Energie zu liefern, und ob das Raumfahrzeug eine solche Größe aufnehmen kann oder nicht.

Finsternis

Das Raumfahrzeug im Orbit um einen Himmelskörper empfängt kein Sonnenlicht, wenn es sich hinter diesem Körper befindet. Einige Energiespeichermittel sind erforderlich.

(Quelle: Britannica )

Planetare Albedo

Ein Himmelskörper kann Sonnenlicht zu den Sondenarrays reflektieren und so die Energieproduktion erhöhen.

Robustheit der Arrays

Arrays können während des Starts oder im Orbit durch Trümmer zerstört werden. Wenn sie größer werden, ist ihre Robustheit schwierig aufrechtzuerhalten, ohne dem System Masse hinzuzufügen.

Kosten für den Start

Je größer die benötigte Energie oder je weiter das Raumschiff von der Sonne entfernt ist, desto teurer werden die Arrays aufgrund ihrer Größe. Die Kosten des Starts werden auch aufgrund der entsprechenden Massenvariation beeinflusst.

Irgendwann werden andere Energiequellen billiger zu bauen und zu starten sein.

Maximale Stromabgabe

Wenn die Mission mehr Strom benötigt, als die Arrays produzieren können, und es nicht geeignet ist, die Arrays zu vergrößern, muss Energie mit der Rate gespeichert werden, die das Array liefern kann, und dann mit der höheren Rate verbraucht werden, die bis zur Batterie erforderlich ist leer ist, und warten Sie dann, bis der Akku wieder aufgeladen ist.

Diskontinuierliches Arbeiten kann akzeptabel sein oder nicht. Außerdem lässt die Batterieleistung mit der Zeit nach, und Staub oder Treibgas können die Sonneneinstrahlung dämpfen. Lange Missionen können diese Probleme möglicherweise nicht bewältigen.

Es gibt mindestens zwei Probleme mit photovoltaischen Solarzellen (ohne Berücksichtigung von Konzentratoren) im äußeren Sonnensystem: die geringe Leistung der Sonne und die niedrige Temperatur der Zellen.

Für die Cassini-Mission zum Saturn (9–10 AE von der Sonne entfernt) untersuchte die NASA die Sonne als Alternative. Sie berechneten die erforderliche Oberfläche und kamen zu dem Schluss, dass die Masse der erforderlichen Solaranlagen zu einem Raumfahrzeug führen würde, dessen Masse alles übersteigen würde, was mit vorhandener Technologie gestartet werden könnte, und die Manövrierfähigkeit stark beeinträchtigen würde. Sie kamen zu dem Schluss, dass es möglich gewesen wäre, aber dass der wissenschaftliche Aufwand zu hoch wäre:

Aus der Umweltverträglichkeitserklärung von Cassini, Kapitel 2 , Seite 2-53 ff. Für eine alternative Konfiguration,

Das Hinzufügen eines Arrays dieser Größe in Verbindung mit den anderen Modifikationen, die zur Implementierung von Solarenergie erforderlich sind, erhöhte die Trockenmasse des Raumfahrzeugs um 1.337 kg (2.948 lb). Mit der Masse der Treibmittel, der Huygens-Sonde und des Startadapters würde die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs auf 7.228 kg (15.935 lb) ansteigen und damit die Startkapazität der Titan IV (SRMU)/Centaur von 6.234 kg (13.743 lb) weit übersteigen ) für eine Flugbahn zum Saturn (JPL 1994a).

oder für ein anderes

Um die Größe der Arrays weiter zu reduzieren, wurde die für die wissenschaftlichen Instrumente verfügbare Leistung um 50 Prozent reduziert. Aufgrund des großen Trägheitsmoments, das durch die großen Solarmodule (397 m² [4.269 ft²] und 585 kg [1.290 lb]) (JPL 1994a) erzeugt wird, ist die Zeit erforderlich, um das Raumschiff während seiner Erkundung des Saturnsystems zu drehen und zu manövrieren gegenüber dem kompakten Raumfahrzeug mit RTG-Antrieb um den Faktor 4 bis 18 erhöhen würde. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf die wissenschaftlichen Ziele der Mission wären schwerwiegend und beinhalten verlängerte Zeiten für Bildmosaike, unzureichende Drehraten für Feld- und Partikelinstrumente, reduzierte Bildauflösung aufgrund unzureichender Zielbewegungskompensation, Verlust der Instrumentenbeobachtungszeit während der Drehungen für die Kommunikation mit der Erde, und unzureichende Wenderaten, um die Radarbeobachtung von Titan zu unterstützen.

In jüngerer Zeit verwenden zwei Missionen zum Jupiter (4,9–5,5 AE von der Sonne entfernt) Sonnenkollektoren: Juno der NASA umkreist derzeit (2022) Jupiter. Der Juice der ESA soll 2023 starten. Beide nutzen Photovoltaik und sind die bislang am weitesten entfernten Raumfahrzeuge.