30/01/2017 - Células fotovoltaicas óptimas para misiones a Mercurio

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Investigadores de la UPM determinan mediante cálculos matemáticos qué dispositivos pueden generar, operando con una elevada temperatura, una mayor potencia eléctrica a las sondas espaciales destinadas a orbitar alrededor del planeta más interior del Sistema Solar.

Las sondas espaciales consumenenergía eléctrica suministrada generalmente por sistemas fotovoltaicos. Estos sistemas se componen de células solares cuya eficiencia depende, entre otros factores, de la temperatura de operación. La temperatura a la que operan las células solares en misiones próximas a la Tierra es significativamente menor que la temperatura de operación en misiones espaciales cercanas al Sol, como es el caso de Mercurio, destino de una próxima misión liderada por la Agencia Espacial Europea (ESA). Por ello en estas misiones deberían utilizarse células solares diferentes, capaces de operar eficientemente a alta temperatura. Sin embargo, en ambos escenarios se han utilizado hasta ahora células similares. Un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), adscritos a su Instituto de Energía Solar, ha examinado qué células solares pueden proporcionar una mayor potencia eléctrica a sondas espaciales que orbiten alrededor del planeta más interior del Sistema Solar.

La sonda Messenger de la NASA, la primera que se colocó en órbita alrededor de Mercurio (en marzo de 2011), utilizó células solares que conseguían operar a temperaturas moderadas gracias a la utilización de espejos que reflejaban una parte importante de la radiación solar. Los investigadores de la UPM explican que este procedimiento es muy ineficiente, ya que desaprovecha la energía eléctrica que podría ser generada si dicha radiación no fuese reflejada. Por ello, su trabajo se ha centrado en determinar qué células solares pueden generar, operando con una elevada temperatura, una mayor potencia eléctrica sin necesidad de reflejar la luz del Sol.

El estudio se realizó mediante cálculos matemáticos basados en el principio de balance detallado, que establece que en el equilibrio cada proceso elemental debe ser equilibrado por su proceso inverso. Para poder aplicar este principio, los investigadores tuvieron que definir las órbitas descritas por sondas espaciales alrededor de Mercurio, calcular la radiación que incide en paneles fotovoltaicos situados en dichas orbitas (proveniente del Sol y de Mercurio) y determinar la temperatura de operación de dichos paneles. Esta temperatura es establecida en un proceso iterativo que analiza la relación entre la potencia absorbida, la energía eléctrica producida y la potencia emitida.

Los resultados indican que las células más eficientes en las órbitas de Mercurio son las que están fabricadas con un compuesto de aluminio, galio y  arsénico (Al0.11Ga0.89As) y recubiertas con reflectores selectivos. Teóricamente, estas células podrían operar a una temperatura aproximada de 215 grados centígrados y proporcionar eficiencias de entre un 16,4% y un 25,2%. Aunque estas eficiencias resulten muy bajas, en realidad se traducen en altas densidades de potencia eléctrica producida (entre 2.321 y 2.407 vatios por metro cuadrado), capaces de cubrir la demanda energética de las sondas espaciales. La razón es que la proximidad del Sol hace que los módulos fotovoltaicos sean iluminados con altas densidades lumínicas.

Los investigadores afirman que su estudio puede ser de gran utilidad a la hora de diseñar los paneles fotovoltaicos de la misión BepiColombo, la primera que planea la ESA a Mercurio, en colaboración con la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA). Dicha misión incluye dos módulos espaciales: uno destinado a fotografiar y analizar Mercurio y otro destinado a investigar la magnetosfera del planeta. El lanzamiento está previsto para 2018 y el viaje durará siete años y medio.

 

Ref.

LOPEZ, E.; MARTI, A.; LLORENS, J. M.; BUENCUERPO, 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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Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

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