30/01/2017 - Optimale Photovoltaikzellen für Missionen nach Merkur

Menéame

Forscher der UPM anhand mathematischer Berechnungen bestimmen, welche Geräte bei hoher Temperatur höhere elektrische Leistung bei Raumsonden erzeugen können, die dazu bestimmt sind, um den innersten Planeten des Sonnensystems herum zu umkreisen.

Las Raumsonden konsumierenelektrische Energie in der Regel durch Photovoltaik-Systeme geliefert. Diese Systeme bestehen aus Solarzellen, deren Effizienz unter anderem von der Betriebstemperatur abhängt. Die Temperatur, bei der Solarzellen auf Missionen in der Nähe der Erde betrieben werden, ist deutlich niedriger als die Betriebstemperatur bei Raummissionen in der Nähe der Sonne, wie es bei Merkur der Fall ist, dem Ziel einer nächsten Mission unter der Leitung der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Deshalb sollten bei diesen Missionen verschiedene Solarzellen eingesetzt werden, die effizient bei hoher Temperatur arbeiten können. In beiden Szenarien wurden jedoch bisher ähnliche Zellen verwendet. Eine Gruppe von Forschern aus der Polytechnische Universität Madrid (UPM), zu deren Institut für SolarenergieEr hat untersucht, welche Solarzellen eine höhere elektrische Leistung für Raumsonden liefern können, die den innersten Planeten des Sonnensystems umkreisen.

Die Sonde Messenger Die NASA, die erste, die im März 2011 in der Umlaufbahn um Merkur platziert wurde, nutzte Solarzellen, die dank der Verwendung von Spiegeln, die einen wichtigen Teil der Sonnenstrahlung widerspiegelten, bei gemäßigten Temperaturen arbeiten konnten. Die Forscher der UPM erklären, dass dieses Verfahren sehr ineffizient ist, da es die elektrische Energie, die erzeugt werden könnte, wenn diese Strahlung nicht reflektiert würde, vergeudet. Daher hat sich ihre Arbeit darauf konzentriert, festzustellen, welche Sonnenzellen bei hoher Temperatur eine höhere elektrische Leistung erzeugen können, ohne das Sonnenlicht reflektieren zu müssen.

Die Studie wurde durch mathematische Berechnungen auf der Grundlage der detailliertes Bilanzprinzip, in dem festgelegt wird, dass jeder elementare Prozess im Gleichgewicht durch seinen umgekehrten Prozess ausgeglichen werden muss. Um dieses Prinzip anwenden zu können, mussten die Forscher die Umlaufbahnen definieren, die von Raumsonden um Merkur beschrieben wurden, die Strahlung berechnen, die auf Photovoltaikplatten in diesen Orbiten (von der Sonne und von Merkur) ausgeht, und die Betriebstemperatur dieser Paneele bestimmen. Diese Temperatur wird in einem iterativen Prozess festgelegt, der das Verhältnis zwischen absorbierter Leistung, erzeugter elektrischer Energie und ausgestrahlter Leistung analysiert.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die wirksamsten Zellen in den Merkurumkreisen aus Aluminium, Gallium und Arsen (Al0.11Ga0.89As) bestehen und mit selektiven Reflektoren beschichtet sind. Theoretisch könnten diese Zellen bei etwa 215 Grad Celsius arbeiten und Effizienzgewinne zwischen 16,4% und 25,2% erzielen. Obwohl diese Effizienz sehr niedrig ist, sind sie in der Tat in hohen Dichten der erzeugten elektrischen Leistung (zwischen 2.321 und 2.407 Watt pro Quadratmeter) fähig, den Energiebedarf der Raumsonden zu decken. Der Grund dafür ist, dass die Nähe der Sonne Photovoltaikmodule mit hoher Lichtdichte beleuchtet.

Die Forscher behaupten, dass ihre Studie in Zusammenarbeit mit der japanischen Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA) von großem Nutzen für die Entwicklung der Photovoltaik-Panels der Mission BepiColombo sein könnte, die erste, die die ESA für Merkur plant. Diese Mission umfasst zwei Raummodule: eine zur Fotografie und Analyse von Merkur und eine zur Erforschung der Magnetosphäre des Planeten. Der Start ist für 2018 geplant und wird siebeneinhalb Jahre dauern.

 

Ref.

LOPEZ, E. MARTI, A.; LLORENS, J. M.; GUENCUERPO, J. VERSLOOT, T." Optimum Single-Gap Solar Cells for Missions to Mercury" Journal of Spacecraft and Rockets, 53 (4):787-791; 10.2514/1.A33533JUL 2016.

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Polytechnische Universität Madrid (UPM)

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