Ảnh tự chụp không gian sâu của Rosetta cho thấy các tấm pin mặt trời của nó
Nó đã có thể trong lý thuyết. Trong thập kỷ trước, sứ mệnh Rosetta chạy bằng năng lượng mặt trời của ESA đã mạo hiểm đi xa quỹ đạo của Sao Mộc trong sứ mệnh gặp một sao chổi – nhưng nó đã phải ngủ đông gần như hoàn toàn trong 31 tháng để bảo tồn nguồn năng lượng khan hiếm.
Christian Erd, giám đốc tàu vũ trụ của Juice, lưu ý: “Đây là mối quan tâm – chúng tôi đang hướng đến một nơi xa xôi, tối tăm. “Một trong những hoạt động phát triển công nghệ đầu tiên được đưa ra cho sứ mệnh là phát triển pin mặt trời chắc chắn có thể tiếp tục hoạt động xung quanh Sao Mộc. Tin tốt là công nghệ đã phát triển vượt bậc kể từ thời của Rosetta.”
Sao Mộc được chụp bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb
Pin mặt trời tiên tiến nhất
Kỹ sư pin mặt trời Carsten Baur được giao nhiệm vụ tìm ra giải pháp: “Rosetta đã xuất hiện vào thời điểm mà pin mặt trời silicon vẫn là công nghệ tiên tiến nhất. Kể từ đó, các tế bào năng lượng mặt trời tiêu chuẩn được sử dụng cho các sứ mệnh không gian đã chuyển sang các đơn vị dựa trên gali arsenua hiệu quả hơn, sử dụng thiết kế tế bào nối ba lớp – nghĩa là ba lớp tế bào được đặt chồng lên nhau, mỗi lớp tạo ra năng lượng từ các bước sóng ánh sáng mặt trời khác nhau. ”
Kết quả là trong khi các tế bào năng lượng mặt trời của Rosetta đạt hiệu suất khoảng 20%, thì các tế bào ba điểm nối GaAs mới nhất đạt khoảng 30%. Nhưng đó không phải là vấn đề đơn giản là cấy ghép pin mặt trời từ một nhiệm vụ chung cho Nước trái cây. Chúng cần được kiểm tra cụ thể về hiệu suất ở ‘cường độ thấp, nhiệt độ thấp’ – hay LILT – điều kiện phổ biến xung quanh Sao Mộc, nơi nhiệt độ của các tấm pin mặt trời của Juice khi tàu vũ trụ ra khỏi nhật thực có thể giảm xuống chỉ còn 30 độ C so với nhiệt độ tuyệt đối. số không.
Chuẩn bị thử nghiệm pin mặt trời ba mối nối tiêu chuẩn
“Thay đổi môi trường và hành vi cũng thay đổi,” Carsten nói thêm. “Vì vậy, chúng tôi phải điều chỉnh các thiết lập thử nghiệm của mình với điều kiện ánh sáng yếu và lạnh. Chúng tôi bắt đầu với phiên bản mới nhất của pin mặt trời châu Âu, 3G30 từ Không gian xanh ở Đức, có hiệu suất tốt hơn nhiều ở nhiệt độ phòng so với người tiền nhiệm 3G28. Nhưng điều tương tự không đúng ở nhiệt độ thấp hơn – chúng có các lỗi kích hoạt nhiệt cụ thể, nghĩa là chúng tôi phải chuyển sang 3G28.”
Và một khi loại đã được chọn, các lô tế bào riêng lẻ vẫn cần được xem xét kỹ lưỡng.
Ép pin mặt trời với kính che và mạng nối đất bằng dây nhỏ
Kiểm tra hiệu suất
Carsten giải thích: “Sức mạnh mà chúng ta nhận được ở Trái đất là khoảng 1360 watt trên một mét vuông. “Ở ngoài Sao Mộc, nó giống như 50 watt trên một mét vuông, giống như đi vào trong nhà. Nó vẫn không phải là không có gì, nhưng không phải là điều kiện tiêu chuẩn để vận hành pin mặt trời. Bất kỳ sai sót nào trong chất bán dẫn cấu tạo nên pin mặt trời sẽ ngay lập tức dẫn đến giảm hiệu suất.”
Không có chất bán dẫn nào là nguyên sơ và những điểm không hoàn hảo nhỏ của ‘đường dẫn shunt’ có thể làm tiêu hao một số dòng điện được tạo ra từ ánh sáng mặt trời. Các kỹ sư pin mặt trời có thể phát hiện các đường dẫn shunt đó bằng cách đo cái gọi là ‘dòng điện tối’ này.
Nước trái cây bay qua Europa
“Nếu bạn bị mất 2 milliamp ở dòng điện 500 milliamp từ một Hằng số Mặt trời trên quỹ đạo Trái đất, thì đó không phải là vấn đề. Nhưng nếu bạn giảm xuống còn 16 milliamp tại Sao Mộc thì 2 milliamp sẽ là một mất mát đáng kể, đặc biệt là vì khi chúng ta nhóm các ô lại với nhau thành một chuỗi thì dòng ô thấp nhất sẽ chi phối các đầu ra hiện tại của chuỗi.”
Mô hình chất lượng của bảng điều khiển năng lượng mặt trời Juice
Dòng tối của các lô tế bào được ngành công nghiệp đo lường một cách có hệ thống dưới sự giám sát của ESA, với khoảng 25% mẫu không đạt loại.
Bức xạ: kẻ thù vô hình
Một thách thức khác là đánh giá tác động của một yếu tố chính khác đối với môi trường của Sao Mộc: bức xạ cao.
Carsten nhận xét: “Các tế bào năng lượng mặt trời của các vệ tinh viễn thông địa tĩnh tất nhiên phải tiếp xúc với bức xạ. Những gì chúng tôi tìm thấy là, khi chúng liên tục tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nhiệt độ cao sẽ khiến chúng có khả năng tự phục hồi ở một mức độ nào đó khỏi tác hại của bức xạ. Nhưng ở sao Mộc khả năng tự phục hồi như vậy là không có.
Thử nghiệm triển khai mảng năng lượng mặt trời Juice
“Theo đó chúng tôi đã làm việc với một nhóm tại Ecole Polytechnique ở Pháp, người đã có một bộ điều nhiệt di động và mô phỏng năng lượng mặt trời, để tái tạo các điều kiện chiếu sáng khi chúng được trải nghiệm tại Sao Mộc. Điều này cho phép chúng tôi thực hiện thử nghiệm bức xạ ở nhiệt độ thấp và – mà không tăng nhiệt độ ở giữa – thực hiện các phép đo hiệu suất tại chỗ để đánh giá hệ số tổn thất. Ngược lại, pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn ở nhiệt độ thấp.”
giảm béo
Nhìn chung, cần tổng cộng khoảng 24 000 pin mặt trời để bao phủ 85 mét vuông mảng năng lượng mặt trời của Juice – bằng một nửa diện tích của một sân bóng chuyền hoặc không gian sống trung bình của một ngôi nhà ở Vương quốc Anh.
Số lượng pin mặt trời tuyệt đối này có nghĩa là bất kỳ sự giảm kích thước nào của chúng cũng có thể làm giảm khối lượng nhiệm vụ một cách có ý nghĩa.
Thử nghiệm triển khai mảng năng lượng mặt trời Juice
Hoạt động với dòng điện thấp hơn so với thiết kế tiêu chuẩn có nghĩa là độ dày của lớp ‘kim loại hóa’ pin mặt trời ở mặt trước của chúng, được sử dụng để truyền các dòng điện đó, có thể giảm đi mà không cản trở chức năng, trong khi lớp nền Germanium mà các tế bào được đặt trên đó cũng bị mài mòn – làm mỏng mỗi cái từ 150 xuống còn 100 micromet.
Ngược lại, lớp kính phủ dày hơn bình thường, để bảo vệ các tế bào năng lượng mặt trời chống lại bức xạ, được phủ một lớp Indium Tin Oxide ở quy mô nanomet và được kết nối với nhau bằng các dây đồng nhỏ để ngăn sự tích tụ điện tích tĩnh điện từ các hạt năng lượng gặp phải trong không gian – thứ mà mặt khác có thể ảnh hưởng đến kết quả từ các thiết bị plasma và từ tính nhạy cảm của Juice.
Chuyên môn được truyền cho Europa Clipper
Pin mặt trời Azur Space 3G28 – với các tấm nền từ trên không ở Hà Lan, được đặt ra bởi Leonardo ở Ý và được tích hợp bởi Airbus Defense and Space ở Hà Lan – cuối cùng đã trở thành pin mặt trời đặc trưng tốt nhất cho điều kiện LILT. Theo đó NASA Máy cắt châu Âu sứ mệnh tới Sao Mộc đã đưa ra quyết định sử dụng chính xác các tế bào năng lượng mặt trời giống hệt nhau – không chỉ là một thành tựu kỹ thuật của châu Âu mà còn là một thành công xuất khẩu đáng chú ý.
Europa Clipper của NASA sử dụng các tấm và pin mặt trời giống như Juice của ESA
Ngoài Juice, Carsten và các đồng nghiệp của ông đang xem xét năng lượng mặt trời có thể được mở rộng thêm bao nhiêu nữa vào Hệ Mặt trời bên ngoài: “Chúng tôi vẫn có thể tăng hiệu quả bằng nhiều cách khác nhau và cũng có thể triển khai các khu vực lớn hơn, chẳng hạn như sử dụng pin mặt trời và tấm pin mặt trời linh hoạt dù sao cũng đã được phát triển cho các nhiệm vụ viễn thông mới nhất. Vì vậy, chúng tôi vẫn chưa đạt được bất kỳ rào cản khoảng cách tuyệt đối nào.”
Xem loạt video The Making of Juice