Frage:
Wie weit von der Sonne entfernt kann Solarenergie als zuverlässige Energiequelle genutzt werden?
JohnB
2013-07-22 15:35:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Raumsonden, die in die Ferne unseres Sonnensystems fliegen, sind auf thermoelektrische Radioisotopgeneratoren angewiesen ( Cassini - Huygens, Voyager 1, Voyager 2).

Vermutlich liegt dies daran, dass Solarenergie in großen Entfernungen von der Sonne nicht realisierbar ist. Was ist angesichts der derzeit verfügbaren Technologie die "sichere Zone", in der Solaranlagen als zuverlässige Quelle für die Stromversorgung eines Raumfahrzeugs verwendet werden können?

Mit unserer aktuellen Technologie oder unter der Annahme, wir könnten 100% von allem nutzen, was eine bestimmte Entfernung erreicht hat?
@RhysW verwendet vorzugsweise unsere aktuelle Technologie, ohne theoretische Perfektion vorauszusetzen. Ich werde meine Frage aktualisieren
Siehe auch [* diese Frage bezog sich auf die RTG-Sicherheit und Alternativen für die Erforschung des äußeren Sonnensystems *] (http://space.stackexchange.com/questions/17/are-there-any-safe-to-launch-alternatives-to- RTGs-for-Outer-Solar-System-Explor).
Siehe auch [* diese Frage zu konzentrierter Sonnenenergie *] (http://space.stackexchange.com/questions/110/what-is-the-status-of-concentrated-solar-energy-cse-in-space-exploration ).
Siehe auch: http://physics.stackexchange.com/questions/36041/how-far-from-the-sun-is-a-photovoltaic-effective
Zwei antworten:
#1
+12
gerrit
2013-07-22 16:32:19 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Es gibt mindestens zwei Probleme mit Photovoltaik-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 Solar als Alternative. Sie berechneten die erforderliche Oberfläche und kamen zu dem Schluss, dass die Masse der erforderlichen Solaranlagen zu einem Raumfahrzeug mit einer Masse führen würde, die alles übersteigt, was mit der vorhandenen Technologie gestartet werden könnte, und die Manövrierfähigkeit erheblich beeinträchtigen würde. Sie kamen zu dem Schluss, dass dies möglich gewesen wäre, die wissenschaftlichen Kosten jedoch zu hoch wären:

Ab der Cassini-Umweltverträglichkeitserklärung, Kapitel 2, Seite 2-53. Für eine alternative Konfiguration erhöhte

die Hinzufügung dieses Größenarrays in Verbindung mit den anderen Modifikationen, die zur Implementierung von Solarenergie erforderlich sind, die Trockenmasse des Raumfahrzeugs um 1.337 kg (2.948 lb). Mit der Masse der Treibmittel, der Huygens-Sonde und des Startadapters würde sich die Gesamtmasse des Raumfahrzeugs auf 7.228 kg erhöhen und die Startkapazität des Titan IV (SRMU) / Centaur von 6.234 kg (13.743 lb) weit überschreiten ) für eine Flugbahn zum Saturn (JPL 1994a).

oder für eine andere

Um die Größe der Arrays weiter zu reduzieren, steht die verfügbare Leistung zur Verfügung zu den wissenschaftlichen Instrumenten wurde um 50 Prozent reduziert. Aufgrund des großen Trägheitsmoments, das durch die großen Sonnenkollektoren (397 m² und 585 kg) (JPL 1994a) erzeugt wird, ist die Zeit erforderlich, um das Raumschiff während seiner Erkundung des Saturn-Systems zu drehen und zu manövrieren würde sich im Vergleich zu dem kompakten RTG-angetriebenen Raumschiff um einen Faktor zwischen 4 und 18 erhöhen. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf die wissenschaftlichen Ziele der Mission wären schwerwiegend und würden längere Zeiten für Bildmosaike, unzureichende Umdrehungsraten für Felder und Partikelinstrumente sowie ein geringeres Bild umfassen Auflösung aufgrund unzureichender Zielbewegungskompensation, Verlust der Beobachtungszeit des Instruments während der Kurven für die Kommunikation mit der Erde und unzureichender Kurvenraten zur Unterstützung der Radarbeobachtung der wolkenverhangenen Oberfläche des Titanen.

In jüngerer Zeit zwei Missionen zum Jupiter (4,9–5,5 AE von der Sonne entfernt) verwenden Solar-Arrays: Die NASA Juno kreuzt derzeit (2013) zum Jupiter, voraussichtlich im August 2016. ESAs Juice ist Beide nutzen Solarphotovoltaik und sind das bislang am weitesten entfernte Raumschiff.

Es gibt noch einen unglücklichen Aspekt in dieser Geschichte. Politik und Finanzierung. Beim Missionsdesign * werden * Sie in vielen Fällen RTGs für Jupiter und darüber hinaus auswählen. Die Vorteile sind überwältigend. Die Finanzierung erlaubt dies jedoch nicht immer. Juno nutzt Solaranlagen, um * Geld zu sparen *. Vergessen Sie das Engineering. Außerdem erlauben ESA-Missionen keine RTGs. Es ist ein wahnsinniges politisches Durcheinander in Europa, also wird Deep Space-Zeug der ESA immer etwas anderes verwenden. Es gibt wieder keine technischen Gründe für diese Entscheidung im Fall von Juice.
@ernestopheles Wie sind Kosten kein komplizierter Aspekt des Missionsdesigns? Und es gibt gute Gründe, warum die ESA keine RTGs zulässt. [Plutonium ist nicht lustig] (http://space.stackexchange.com/q/17/33). Mars '86 verrottet immer noch irgendwo in den Anden zusammen mit seinem hochgiftigen Plutonium, und wenn der Unfall, der kürzlich mit der Protonenrakete mit Glonass passiert ist, passiert, wenn 5 kg Plutonium an Bord sind, sind die Reinigungskosten immens und wer weiß wie Viele Menschen bekommen Krebs. Die in der von mir verlinkten Frage verlinkten NASA EIS-Aussagen enthalten weitere Details.
Natürlich kann man die Vor- und Nachteile diskutieren, und RTGs haben sicherlich technische Vorteile. Aber ich stimme nicht zu, dass es * keine * technischen Gründe gibt. Sicherheit ist ein technisches Problem. Die Wahl im Gleichgewicht zwischen Kosten, Sicherheit, wissenschaftlichen Vorteilen usw. ist letztendlich politisch, aber technische Aspekte, wie sie in den EIS der NASAs dargestellt werden, sind relevant.
Aus ethischer Sicht stimme ich zu. Aus technischer Sicht bin ich einer dieser "Lobbyisten", die RTGs in ESA-Missionen zulassen, wann immer ich kann. Es ist ein bisschen komisch, ich weiß. Sicherheit ist auch ein Thema, aber es ist eher ein Problem des Launchers und der Leute, die ihre Arbeit richtig machen. Es ist bei weitem die beste verfügbare Technologie. Warum also nicht nutzen, ein Risiko eingehen und professionell damit umgehen? (Ich denke, wir sollten diese Diskussion von diesem Ort nehmen ...)
Ich würde gerne eine gut dokumentierte Antwort auf [diese relevante Frage] sehen (http://space.stackexchange.com/q/24/33)!
#2
+8
mins
2015-01-16 04:22:54 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Vermutlich liegt dies daran, dass Solarenergie in großen Entfernungen von der Sonne nicht realisierbar ist.

Es besteht die Möglichkeit, Sonnenenergie zu nutzen, solange die Arrays eine Menge erhalten Energie größer als das Arbeitsniveau einer Photovoltaikzelle. Dies schließt das gesamte Sonnensystem ein. Die Verwendbarkeit der Solarzellen bei geringer Intensität verbessert sich ständig.

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


Mit dem Strom Was ist die "sichere Zone", in der Solaranlagen als zuverlässige Quelle für die Stromversorgung eines Raumfahrzeugs verwendet werden können?

Die für eine bestimmte Mission erforderliche Energie kann durch Anpassung erhalten werden die Größe der Solaranlagen, aber diese Anpassung hat eine Obergrenze. Die andere Möglichkeit, effizientere Zellen zu verwenden:

Aus Wikipedia:

enter image description here
Größeres Bild.

"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 einer Luftmasse von 1,5 (AM1). 5) Spektrum. [...] Dies repräsentiert den Sonnenmittag in der Nähe der Frühlings- und Herbstäquinoktien in den kontinentalen Vereinigten Staaten, wobei die Oberfläche der Zelle direkt auf die Sonne gerichtet ist. "

Zellen arbeiten draußen von STC sehr gut, sobald die Arbeitsbedingungen in der Konstruktion berücksichtigt werden:

"Innere Planetenmissionen und Missionen zur Untersuchung der Sonne innerhalb weniger Sonnenradien erfordern Solaranlagen, die Temperaturen standhalten können über 450 ° C und bei hohen Sonnenintensitäten (HIHT). Äußere Planetenmissionen erfordern Solaranlagen, die bei niedrigen Sonnenintensitäten und niedrigen Temperaturen (LILT) funktionieren können. Zusätzlich zu den sonnennahen Missionen auch Missionen zum Jupiter und seinen Monden erfordern Solaranlagen, die hohen Strahlungswerten 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 geringer Intensität zu verhindern und mehr Energie aus demselben Zellbereich zu gewinnen:

Praktische Verwendbarkeit von Solar-Arrays im Weltraum

Insgesamt geht diese Nasa-Studie (2007) davon aus, dass Solar-Arrays praktisch bis zur Jupiter-Umlaufbahn (5,2 AU, Ultraflex -Produkte) und bis zum Saturn (10) verwendbar sind AU) Mission wird kurzfristig erreichbar sein.

enter image description here
(Juno-Mission für Jupiter)

"Kurzfristige Ultraflex-Arrays und State-of- Kunst-Mehrfachverbindungszellen können 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 in einiger Entfernung von der Sonne empfangene Energiemenge wird durch ein inverses Quadratgesetz bestimmt. Weitere Informationen finden Sie in dieser Frage zu Physics.SE:

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

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

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

Eclipse

Das Raumschiff im Orbit um einen Himmelskörper empfängt kein Sonnenlicht, wenn es sich hinter diesem Körper befindet. Es ist ein gewisser Energiespeicher erforderlich.

enter image description here
(Quelle: Britannica)

Planetenalbedo

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

Robustheit der Arrays

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

Kosten für den Start

Je größer die benötigte Energie oder die Je weiter das Raumschiff von der Sonne entfernt ist, desto teurer sind die Arrays aufgrund ihrer Größe. Die Kosten des Starts werden auch durch die entsprechende Variation der Masse beeinflusst.

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

Maximale Stromabgabe

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

Diskontinuierliches Arbeiten kann akzeptabel sein oder nicht. Darüber hinaus nimmt die Wirksamkeit der Batterie mit der Zeit ab und Staub oder Treibmittel können die Sonneneinstrahlung verringern. Lange Missionen können diese Probleme möglicherweise nicht lösen.



Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
Loading...