30/01/2017 - Cellules photovoltaïques optimales pour les missions à Mercure

Menéame

Enquêteurs UPM ils déterminent, par des calculs mathématiques, quels dispositifs peuvent produire, en opérant à haute température, une puissance électrique accrue aux sondes spatiales destinées à orbiter autour de la planète la plus intérieure du Système solaire.

Las sondes spatiales consommenténergie électrique généralement fournis par des systèmes photovoltaïques. Ces systèmes sont composés de cellules solaires dont l'efficacité dépend, entre autres, de la température de fonctionnement. La température à laquelle les cellules solaires opèrent dans des missions proches de la Terre est sensiblement inférieure à la température d'exploitation dans des missions spatiales proches du Soleil, comme c'est le cas de Mercure, destination d'une prochaine mission conduite par l'Agence spatiale européenne (ESA). Il faudrait donc utiliser des cellules solaires différentes, capables de fonctionner efficacement à haute température. Cependant, des cellules similaires ont été utilisées dans les deux scénarios. Un groupe de chercheurs de la Université polytechnique de Madrid (UPM), rattachés à leur Institut de l'énergie solaire, a examiné quelles cellules solaires peuvent fournir une puissance électrique plus élevée aux sondes spatiales qui orbitent autour de la planète la plus intérieure du système solaire.

La sonde Messenger de la NASA, la première qui a été placée sur orbite autour de Mercure (en mars 2011), a utilisé des cellules solaires capables d'opérer à des températures modérées grâce à l'utilisation de miroirs reflétant une part importante du rayonnement solaire. Les chercheurs de l'UPM expliquent que ce procédé est très inefficace, car il manque l'énergie électrique qui pourrait être générée si ce rayonnement n'était pas reflété. C'est pourquoi son travail s'est concentré sur la détermination des cellules solaires qui peuvent produire, à température élevée, une puissance électrique accrue sans avoir à refléter la lumière du soleil.

L'étude a été réalisée sur la base de calculs mathématiques basés sur principe du bilan détaillé, qui stipule que chaque processus élémentaire doit être équilibré par son processus inverse. Pour appliquer ce principe, les chercheurs ont dû définir les orbites décrites par des sondes spatiales autour de Mercure, calculer les rayonnements qui ont une incidence sur les panneaux photovoltaïques situés sur ces orbites (provenient du Soleil et de Mercure) et déterminer la température d'exploitation de ces panneaux. Cette température est établie dans un processus itératif qui analyse le rapport entre la puissance absorbée, l'énergie électrique produite et la puissance émise.

Les résultats indiquent que les cellules les plus efficaces dans les orbites de Mercure sont celles qui sont fabriquées avec un composé d'aluminium, de gallium et d'arsenic (Al0.11Ga0.89As) et recouvertes de réflecteurs sélectifs. Théoriquement, ces cellules pourraient fonctionner à une température d'environ 215 degrés Celsius et fournir des rendements compris entre 16,4% et 25,2%. Bien que ces rendements soient très faibles, ils se traduisent en réalité par des densités élevées de puissance électrique produite (entre 2.321 et 2.407 Watt par mètre carré), capables de couvrir la demande énergétique des sondes spatiales. La raison en est que la proximité du soleil fait que les modules photovoltaïques sont éclairés avec des densités lumineuses élevées.

Les chercheurs affirment que leur étude peut être très utile dans la conception des panneaux photovoltaïques de la mission BepiColombo, la première que l'ESA projette à Mercure, en collaboration avec l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA). Cette mission comprend deux modules spatiaux: l'un destiné à photographier et analyser Mercure et l'autre destiné à étudier la magnétosphère de la planète. Le lancement est prévu pour 2018 et le voyage durera sept ans et demi.

 

Réf.

LOPEZ, E.; MARTI, A.; LLORENS, J. M.; BONCUERPO, 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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Université polytechnique de Madrid (UPM)

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