ЕКА

Добро пожаловать в пространство Юпитера: с одной стороны вырисовывается обширное облачное лицо самой большой планеты нашей Солнечной системы; в другом — сморщенное Солнце, похожее на прожектор в небе, сюда поступает всего 3% света с земной орбиты. Этот основной факт стал серьезной проблемой для тех, кто планировал миссию ЕКА «Исследователь ледяных лун Юпитера, Сок»: как заставить солнечную энергию работать в такой мрачной среде, расположенной в среднем на расстоянии 778 миллионов километров от нашей родительской звезды?

Теоретически это было возможно. В предыдущее десятилетие миссия ЕКА «Розетта», работающая на солнечной энергии, отважилась выйти на орбиту Юпитера, чтобы встретиться с кометой, но ей пришлось войти в почти полную спячку на 31 месяц, чтобы сохранить дефицит энергии.

«Это было проблемой – мы направлялись в далекое, темное место», – отмечает Кристиан Эрд, менеджер космического корабля Juice. «Одним из первых проектов по разработке технологий, предложенных для миссии, была разработка солнечных элементов, которые определенно могли бы продолжать работать вокруг Юпитера. Хорошей новостью было то, что со времен Розетты технология значительно продвинулась вперед».

Современные солнечные батареи

Инженеру по фотоэлементам Карстену Бауру было поручено найти решение: «Розетта летала в то время, когда кремниевые солнечные элементы еще были современными. С тех пор стандартные солнечные элементы, используемые в космических миссиях, перешли на более эффективные арсенид галлия. -блоки, использующие конструкцию ячейки с тройным соединением – это означает, что три слоя ячеек уложены друг на друга, каждый из которых генерирует энергию из волн солнечного света разной длины».

В результате, в то время как солнечные элементы Rosetta достигли эффективности около 20%, последние GaAs-элементы с тройным переходом достигают эффективности около 30%. Но дело было не в простой пересадке солнечных батарей из обычной миссии в Juice. Их необходимо было специально протестировать на работоспособность в условиях «низкой интенсивности и низкой температуры» (LILT), преобладающих вокруг Юпитера, где температура солнечных панелей Джуса, когда космический корабль выходит из затмения, может упасть всего до 30 градусов Цельсия, что ниже абсолютного значения. нуль.

«Измените окружающую среду, и поведение тоже изменится», — добавляет Карстен. «Поэтому нам пришлось адаптировать наши испытательные установки к слабому освещению и холоду. Мы начали с последней версии европейского солнечного элемента, 3G30 от Azur Space в Германии, который имеет гораздо лучшие характеристики при комнатной температуре, чем его предшественник 3G28. то же самое было не так при более низких температурах – у них были специфические термические дефекты, что означало, что нам пришлось перейти на 3G28».

И как только тип был выбран, отдельные партии клеток все еще нуждались в детальном изучении.

Тестирование производительности

«Энергия, которую мы получаем на Земле, составляет около 1360 Вт на квадратный метр», — объясняет Карстен. «На Юпитере это скорее 50 ватт на квадратный метр, как в помещении. Это все-таки не пустяки, но и не стандартные условия для работы солнечных элементов. Любые дефекты в полупроводнике, из которого состоит солнечный элемент, немедленно приведут к падению мощности. производительность."

Ни один полупроводник не является первозданным, и небольшие дефекты «шунтирующего пути» могут отводить часть тока, генерируемого солнечным светом. Инженеры солнечных батарей могут обнаружить эти шунтирующие пути, измеряя так называемый «темновой ток».

«Если у вас есть потери в 2 миллиампера при токе в 500 миллиампер от одной солнечной постоянной на околоземной орбите, это не проблема. группируйте ячейки в строку, тогда наименьший ток ячейки будет доминировать над текущими выходами строки».

Темновой ток партий клеток систематически измерялся промышленностью под наблюдением ЕКА, при этом около 25% образцов не соответствовали требованиям.

Радиация: невидимый враг

Еще одной задачей было оценить влияние еще одного важного фактора окружающей среды Юпитера: высокой радиации.

Карстен комментирует: «Солнечные элементы геостационарных телекоммуникационных спутников, конечно, подвергаются воздействию радиации. Мы обнаружили, что, поскольку они постоянно подвергаются воздействию солнечного света, высокие температуры приводят к некоторой степени самовосстановления от радиационного повреждения. Юпитеру такое самоисцеление недоступно.