Ηλιακή ενέργεια για τα διαστημόπλοια

Από σελίδα της NASA, 8 Ιανουαρίου 2002

Η ηλιακή ενέργεια είναι μια άφθονη πηγή δύναμης για το διαστημικό σκάφος που πετάει στο εσωτερικό του ηλιακού μας συστήματος. Αλλά πόσο μακριά από το αστέρι μας μπορούν να λειτουργήσουν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία που έχει;

Δεξιά : Ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός τον Δεκέμβριο, του 2001.

Βλέποντας την φωτογραφία του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS), αυτό που μας κάνει εντύπωση είναι, πόσο ηλιόλουστος και λαμπερός είναι, καθώς περιφέρεται γύρω από τον πλανήτη μας.

Αλλά, συγχρόνως, και τα μεγάλα φτερά του, τα ηλιακά του πάνελ.

Δεν είναι τυχαίο που τα ηλιακά πάνελ εξουσιάζουν την τύχη του σταθμού. Πάνω στον ISS (όπως και στη Γη κάτω) η ηλιακή ενέργεια εξουσιάζει τελικά όλα αυτά που συμβαίνουν. Ο ήλιός μας, ένα κοινό αστέρι, ακτινοβολεί τεράστια ισχύ: με μια σταθερή έξοδο 4 x 10 ²³ κιλοβάτ (kW). Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα , που μετατρέπουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια, χρειάζονται μόνο ένα μικροσκοπικό μέρος εκείνης της τρομακτικής ισχύος για να δώσουν ενέργεια στο σταθμό.

Αλλά όλα τα διαστημικά σκάφη δεν ταξιδεύουν κοντά στη Γη, όπου το φως του ήλιου είναι άφθονο. Πολλά διαστημικά οχήματα της NASA ταξιδεύουν αρκετά πέρα από την τροχιά του πλανήτη μας. Και καθώς αυτά ταξιδεύουν, ο ήλιος γίνεται πιό απόμακρος και αμυδρός. Κάπου μακρυά εκεί πάνω, η ηλιακή ισχύς παύει να είναι μια χρήσιμη πηγή ενέργειας για το διαστημικό σκάφος. Αλλά σε ποιό σημείο;

Αυτό είναι το σημείο που οι κατασκευαστές των διαστημικών σκαφών της NASA θέλουν να ξέρουν: Πού είναι η άκρη της ηλιοφάνειας; Των ηλιακών ακτίνων;

Τα ηλιακά κύτταρα του Διαστημικού Σταθμού, που αναπτύχθηκαν δεκαετίες πριν, μετατρέπουν το 14% της ηλιακής ισχύος που τους χτυπά σε ηλεκτρική ενέργεια, και τα σύγχρονα κύτταρα, πολλαπλής ζώνης, τα οποία μετατρέπουν το φως, μεγάλου τμήματος του φάσματος, σε ηλεκτρική ενέργεια, φθάνουν σε αποδοτικότητα περίπου 30%. Τέτοιες συσκευές λειτουργούν αρκετά καλά στο λαμπρό περιβάλλον, στο εσωτερικό του ηλιακού μας συστήματος, αλλά θα απαιτηθούν αποδοτικότερα κύτταρα και μεγαλύτερες σειρές (πάνελ) καθώς τα διαστημικά σκάφη θα ταξιδεύουν σε θέσεις όπου τα ηλιακά φωτόνια είναι λιγοστά. Στα εξωτερικά όρια του ηλιακού συστήματος, παραδείγματος χάριν, η δυνατότητα να μετατραπούν ακόμη και τα λιγοστά φωτόνια σε ηλεκτρική ενέργεια θα ήταν σημαντική.

"Η ένταση του φωτός του ήλιου μειώνεται με την απόσταση, κατά έναν παράγοντα 1/r², όπου το r είναι η απόσταση από τον ήλιο", εξηγεί ο Geoff Landis, ένας επιστήμονας στο ερευνητικό κέντρο Glenn της NASA. "Αυτό σημαίνει ότι μια  ηλιακή σειρά (πάνελ) 1m², που παράγει 400 Watt σε μια απόσταση 1 AU, θα έπρεπε να έχει μέγεθος 25 τετραγωνικά μέτρα έξω από τον Δία -- και σχεδόν 2.000 τετραγωνικά μέτρα έξω από τον Πλούτωνα για να παραγάγει την ίδια ισχύ". (Σημείωση: μια αστρονομικό μονάδα ή ένα "AU" είναι η μέση απόσταση μεταξύ της Γης και του ήλιος. 1 AU είναι ίση με 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα.)

Αριστερά: Ο ήλιος όπως εμφανίζεται από τον απόμακρο Πλούτωνα, είναι απλώς ένα άλλο αστέρι στο νυκτερινό ουρανό, αν και είναι το φωτεινότερο αστέρι.

Ο Landis και οι συνάδελφοί του στο τμήμα Photovoltaics Glenn ερευνούν νέους τρόπους για να χρησιμοποιηθεί η δύναμη του ήλιου -- συμπεριλαμβανομένων πιό αποδοτικότερων ηλιακών κυττάρων, ακτίνων λέιζερ, που να ακτινοβολούν την ενέργεια στο απόμακρο διαστημικό σκάφος, και τα συστήματα ηλιακής ισχύος για το φεγγάρι και τον Άρη. "Η χρήση της ηλιακής ισχύος είναι ένας περίπλοκος τομέας μελέτης," λέει ο Landis. "Η εύρεση αποδοτικών λύσεων απαιτεί να ισορροπούμε τέτοιους παράγοντες όπως είναι η απόσταση, το βάρος, η ενέργεια των διαφορετικών ζωνών του φωτός, και των πραγματικών υλικών που είναι διαθέσιμα σε μας."

Χρησιμοποιώντας τις σημερινές τεχνολογίες, η μεγαλύτερη απόσταση που μπορούμε να είμαστε για να συλλάβουμε την ενέργεια του ήλιου είναι περίπου τέσσερις αστρονομικές μονάδες, μακρυά από τον ήλιο, όπου το φως του ήλιου είναι περίπου το ένα-δέκατο έκτο της φωτεινότητας που έχει κοντά στη Γη Αυτό σημαίνει ότι είναι πέρα από την τροχιά του Άρη (1.5 AU), αλλά πιό κοντά από ότι είναι ο ήλιος από τον Δία (5.2 AU).

Δεξιά: Μια ηλιακή ιδέα πως θα είναι τα πάνελ, σαν πανιά.

"Με τις αυριανές τεχνολογίες ελπίζουμε να μπορούμε να χρησιμοποιούμε την ηλιακύ δύναμη, πέρα από το ηλιακό μας σύστημα," λέει ο Landis. "Οι μελλοντικοί ηλιακοί συσσωρευτές, παραδείγματος χάριν, μπορούν να χρησιμοποιήσουν, προηγμένης τεχνολογίας, λεπτές ταινίες  και τα πολύ ελαφριά ηλιακά κύτταρα, τα οποία μπορούν να φτάσουν σε έκταση ως ένα στρέμμα ή και περισσότερο. Αντί ενός διαστημικού σκάφους που φέρνει μια ηλιακή σειρά κυττάρων μαζί του, θα έχετε μια ηλιακή σειρά που φέρνει ένα διαστημικό σκάφος."

Τέτοια επεκτατικά πανιά θα ήταν επίσης στόχοι για γρήγορα διαστημικά οχήματα ηλιακής σκόνης, κι έτσι θα χρειαστεί να σέρνονται από ανθεκτικά υλικά. Ακόμα μια πρόκληση για τους κατασκευαστές διαστημικών σκαφών!

Μέχρι σήμερα, το πιό μακρινό διαστημικό σκάφος που τροφοδοτείται από τον ήλιο, βρίσκεται σε μια απόσταση από τον ήλιο 2.35 AU -- ένα ρεκόρ που έσπασε τον περασμένο Οκτώβριο από το σκάφος Stardust της NASA. Το Stardust θα αυξάνει το ρεκόρ του κάθε ημέρα μέχρι τον Απρίλιο, του 2002, όταν θα φθάσει σε μια μέγιστη απόσταση από τον ήλιο 2.72 AU, καθ'οδόν προς το Comet Wild 2. Οι ηλιακές σειρές (πάνελ) του Stardust παράγουν πραγματικά περισσότερη ενέργεια απ' ό,τι αναμενόταν, ίσως επειδή τα φωτοβολταϊκά κύτταρά του λειτουργούν αποτελεσματικότερα στο κρύο του διαστήματος απ'ό,τι στα γήινα εργαστήρια. Κανένας όμως δεν είναι σίγουρος γι' αυτό, είναι ένα ανεξερεύνητο έδαφος.

Ανωτέρω: (αριστερά) Η καλλιτεχνική απεικόνιση για το Stardust καθώς αντιμετωπίζει το Comet Wild 2το 2004. Τα ηλιακά πάνελ φαίνονται έντονα σε αυτήν την απεικόνιση. (δεξιά) η τροχιά του διαστημικού σκάφους, από το JPL (Stardust).

Όχι και τόσο μακριά από τον ήλιο όσο το Stardust, το  πειραματικό διαστημικό σκάφος της NASA, Deep Space 1,  πρόσφατα δοκίμασε έναν "ηλιακό συμπυκνωτή" -- 720 φακοί που έστρεψαν το φως του ήλιου πάνω σε 3600 ηλιακά κύτταρα. Το  Deep Space 1 ήταν το πρώτο όχημα που τροφοδοτήθηκε εξ ολοκλήρου από ηλιακά κύτταρα πολλαπλών ζωνών ακτινοβολίας. Το μικρό αλλά καινοτόμο σύστημα παρήγαγε 2500 Watt: αρκετά για να ενεργοποιήσει τρεις φούρνους μικροκυμάτων και αρκετά περισσότερα για να τροφοδοτήσει την ιοντική μηχανή του οχήματος.

Τέτοιες πρόοδοι θα ωθήσουν τελικά την ηλιακή δύναμη στο βαθύ διάστημα -- ίσως έξω και από το ηλιακό σύστημα..

Δεξιά: Αυτή ηκαλλιτεχνική απεικόνιση εμφανίζει επίγειους σταθμούς να ακτινοβολούν ενέργεια   προς ένα απόμακρο διαστημικό σκάφος [ περισσότερα ]

"Στις μακροπρόθεσμες αποστολές, οι ηλιακές σειρές (πάνελ) δεν θα ειναι απαραίτητο να στηριχθούν στον ήλιο", λέει ο Landis. "Ερευνούμε την ιδέα της χρησιμοποίησης των λέιζερ για να ακτινοβολήσουμε τα φωτόνια τους, στις ηλιακές σειρές. Εάν κάνετε ένα αρκετά ισχυρό λέιζερ και μπορείτε να στοχεύσετε με την ακτίνα, πραγματικά δεν υπάρχει ανάγκη για ηλιοφάνεια -- με έναν αρκετά μεγάλο φακό, θα μπορούσαμε να ακτινοβολήσουμε το φως σε έναν διαστημικό όχημα ακόμη και στην μισή απόσταση του άλφα- του Κενταύρου!"

Η ακτινοβολία της φωτεινής ισχύος σε στόχους πάνω στη Γη, σε τροχιά, στο φεγγάρι ή στον Άρη και άλλους πλανήτες -- ή ακόμη και σε ένα απόμακρο διαστημικό σκάφος -- είναι η ουσία της επιστημονικής φαντασίας. 

Δεξιά: Ενα αυτο-ανεπτυγμένο φωτοβολταϊκό πάνελ πάνω στο φεγγάρι.