ESA

Bienvenido al espacio de Júpiter: a un lado se cierne la vasta cara nublada del planeta más grande de nuestro Sistema Solar; en el otro aparece un Sol encogido, como un foco en el cielo, con solo el 3% de la iluminación de la órbita terrestre llegando aquí. Este hecho básico presentó un gran desafío para aquellos que planeaban la misión del explorador de lunas heladas de Júpiter, Juice, de la ESA: ¿cómo hacer que la energía solar funcione en un entorno tan sombrío, ubicado a una distancia promedio de 778 millones de kilómetros de nuestra estrella madre?

Era posible en teoría. En la década anterior, la misión Rosetta de la ESA, impulsada por energía solar, se aventuró a la distancia de la órbita de Júpiter en su misión para encontrarse con un cometa, pero tuvo que entrar en una hibernación casi total durante 31 meses para conservar la escasa energía.

"Esta era la preocupación: nos dirigíamos a un lugar lejano y oscuro", señala Christian Erd, gerente de la nave espacial Juice. "Una de las primeras actividades de desarrollo tecnológico planteadas para la misión fue desarrollar células solares que definitivamente podrían seguir funcionando alrededor de Júpiter. La buena noticia fue que la tecnología había avanzado mucho desde los días de Rosetta".

Células solares de última generación

Al ingeniero de celdas solares Carsten Baur se le encomendó encontrar una solución: "Rosetta había volado en un momento en que las celdas solares de silicio todavía eran lo último en tecnología. Desde entonces, las celdas solares estándar utilizadas para las misiones espaciales han pasado a ser más eficientes con arseniuro de galio". -unidades basadas en un diseño de celda de unión triple, lo que significa que se colocan tres capas de celdas una encima de la otra, cada una de las cuales genera energía a partir de diferentes longitudes de onda de la luz solar".

El resultado es que, mientras que las células solares de Rosetta lograron una eficiencia de alrededor del 20 %, las últimas células de unión triple de GaAs alcanzan alrededor del 30 %. Pero no se trataba simplemente de trasplantar células solares de una misión genérica a Juice. Necesitaban ser probados específicamente para el rendimiento en las condiciones de 'baja intensidad, baja temperatura', o LILT, que prevalecen alrededor de Júpiter, donde la temperatura de los paneles solares de Juice cuando la nave espacial sale del eclipse puede caer a solo 30 grados C por debajo de la temperatura absoluta. cero.

"Cambia el entorno y el comportamiento también cambia", añade Carsten. "Así que tuvimos que adaptar nuestras configuraciones de prueba al frío y la poca luz. Empezamos con la última versión de la célula solar europea, la 3G30 de Azur Space en Alemania, que tiene un rendimiento mucho mejor a temperatura ambiente que su predecesora 3G28. Pero la No ocurría lo mismo a temperaturas más bajas: tenían defectos específicos de activación térmica que significaban que teníamos que cambiar al 3G28".

Y una vez que se seleccionó el tipo, los lotes de células individuales todavía necesitaban un escrutinio detallado.

Pruebas de rendimiento

"La potencia que recibimos en la Tierra es de unos 1360 vatios por metro cuadrado", explica Carsten. "Afuera, en Júpiter, es más como 50 vatios por metro cuadrado, como entrar en el interior. Todavía no es nada, pero no son las condiciones estándar para operar las células solares. Cualquier falla en el semiconductor que forma la célula solar conducirá inmediatamente a una caída en actuación."

Ningún semiconductor es prístino, y las pequeñas imperfecciones del 'camino de derivación' pueden drenar parte de la corriente generada por la luz solar. Los ingenieros de células solares pueden detectar esos caminos de derivación midiendo la llamada "corriente oscura".

"Si tiene 2 miliamperios de pérdida a 500 miliamperios de corriente de una constante solar en la órbita de la Tierra, eso no es un problema. Pero si tiene 16 miliamperios en Júpiter, entonces 2 miliamperios sería una pérdida bastante significativa, especialmente porque cuando agrupe las celdas en una cadena, entonces la corriente de celda más baja dominará las salidas actuales de la cadena".

La industria midió sistemáticamente la corriente oscura de los lotes de células bajo la supervisión de la ESA, y alrededor del 25 % de las muestras no alcanzaron la calificación.

Radiación: el enemigo invisible

Otro desafío fue evaluar los efectos de otro factor importante del entorno de Júpiter: la alta radiación.

Carsten comenta: "Las células solares de los satélites geoestacionarios de telecomunicaciones están expuestas a la radiación, por supuesto. Lo que descubrimos es que, dado que están continuamente expuestas a la luz solar, las altas temperaturas las llevan a un grado de autocuración del daño por radiación. Pero al Júpiter tal autocuración no está disponible.

"En consecuencia, trabajamos con un equipo de Ecole Polytechnique en Francia que tenía un criostato portátil y un simulador solar para reproducir las condiciones de iluminación tal como se experimentan en Júpiter. Esto nos permitió realizar pruebas de radiación a baja temperatura y, sin aumentar la temperatura en el medio, para realizar mediciones de rendimiento in situ para evaluar el factor de pérdida. Contra eso, las células solares funcionan de manera más eficiente a bajas temperaturas".

Bajar de peso

En general, se necesitan alrededor de 24 000 células solares en total para cubrir los 85 metros cuadrados de paneles solares de Juice: la mitad del área de una cancha de voleibol o el espacio habitable promedio de una casa en el Reino Unido.

Esta gran cantidad de células solares significaba que cualquier reducción en su tamaño podría reducir la masa de la misión de manera significativa.

Operar con corrientes más bajas que el diseño estándar significaba que el grosor de la 'metalización' de la celda solar en su parte frontal, utilizada para transferir esas corrientes, podía reducirse sin impedir la funcionalidad, mientras que el respaldo de germanio sobre el que se colocaron las celdas también se eliminó. – adelgazando cada uno de 150 a 100 micrómetros.

Por el contrario, la cubierta de vidrio era más gruesa de lo normal, para proteger las células solares contra la radiación, recubierta con una capa a escala nanométrica de óxido de indio y estaño e interconectada por diminutos cables de cobre para evitar la acumulación de carga electrostática de las partículas energéticas que se encuentran en el espacio, que de lo contrario, podría terminar influyendo en los resultados de los sensibles instrumentos magnéticos y de plasma de Juice.

Experiencia transferida a Europa Clipper

Las células solares Azur Space 3G28, con paneles de sustrato de Airborne en los Países Bajos, instalados por Leonardo en Italia e integrados por Airbus Defence and Space en los Países Bajos, terminaron convirtiéndose en las células solares mejor caracterizadas para condiciones LILT. En consecuencia, la misión Europa Clipper de la NASA a Júpiter tomó la decisión de utilizar exactamente las mismas células solares, lo que representa no solo un logro técnico para Europa, sino también un notable éxito de exportación.

Más allá de Juice, Carsten y sus colegas están investigando cuánta más energía solar podría expandirse aún en el Sistema Solar exterior: "Todavía podemos aumentar la eficiencia por varios medios y también desplegar áreas más grandes, por ejemplo, utilizando células solares flexibles y paneles solares. que se han desarrollado para las últimas misiones de telecomunicaciones de todos modos. Por lo tanto, todavía tenemos que alcanzar cualquier barrera de distancia absoluta".

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