ESA

Benvenuti nello spazio di Giove: da un lato si profila la vasta faccia nuvolosa del pianeta più grande del nostro Sistema Solare; nell'altro appare un Sole rimpicciolito, come un riflettore nel cielo, dove arriva appena il 3% dell'illuminazione proveniente dall'orbita terrestre. Questo fatto fondamentale ha rappresentato una grande sfida per coloro che pianificavano la missione Juice, Jupiter Icy Moons Explorer, dell’ESA: come far funzionare l’energia solare in un ambiente così cupo, situato in media a 778 milioni di km dalla nostra stella madre?

In teoria era possibile. Nel decennio precedente, la missione Rosetta dell'ESA, a energia solare, si era avventurata fino alla distanza dell'orbita di Giove per incontrarsi con una cometa, ma è dovuta entrare in un letargo quasi totale per 31 mesi per risparmiare energia.

"La preoccupazione era questa: eravamo diretti in un luogo lontano e oscuro", osserva Christian Erd, direttore della navicella spaziale Juice. "Una delle prime attività di sviluppo tecnologico avviate per la missione è stata quella di sviluppare celle solari che potessero sicuramente continuare a funzionare attorno a Giove. La buona notizia è che la tecnologia ha fatto molti passi avanti dai tempi di Rosetta."

Celle solari all'avanguardia

L'ingegnere delle celle solari Carsten Baur è stato incaricato di trovare una soluzione: "Rosetta aveva volato in un'epoca in cui le celle solari al silicio erano ancora lo stato dell'arte. Da allora, le celle solari standard utilizzate per le missioni spaziali sono passate al più efficiente arseniuro di gallio unità basate su celle a tripla giunzione, il che significa che tre strati di celle sono posti uno sopra l'altro, ciascuno dei quali genera energia da diverse lunghezze d'onda della luce solare."

Il risultato è che mentre le celle solari di Rosetta raggiungono un'efficienza pari a circa il 20%, le più recenti celle GaAs a tripla giunzione raggiungono circa il 30%. Ma non si trattava semplicemente di trapiantare celle solari da una missione generica a Juice. Dovevano essere testati specificatamente per le prestazioni nelle condizioni di “bassa intensità, bassa temperatura” – o LILT – prevalenti intorno a Giove, dove la temperatura dei pannelli solari di Juice quando la navicella esce dall’eclissi può scendere a soli 30 gradi C al di sotto di quella assoluta. zero.

"Cambia l'ambiente e cambia anche il comportamento", aggiunge Carsten. "Abbiamo quindi dovuto adattare le nostre configurazioni di prova alla scarsa illuminazione e al freddo. Abbiamo iniziato con l'ultima versione della cella solare europea, la 3G30 della tedesca Azur Space, che ha prestazioni molto migliori a temperatura ambiente rispetto al suo predecessore 3G28. Ma il lo stesso non era vero a temperature più basse: avevano specifici difetti attivati ​​termicamente, il che significava che dovevamo passare al 3G28."

E una volta selezionato il tipo, i singoli lotti di cellule necessitavano ancora di un esame approfondito.

Test per le prestazioni

"La potenza che riceviamo sulla Terra è di circa 1360 watt per metro quadrato", spiega Carsten. "Fuori su Giove si tratta di circa 50 watt per metro quadrato, come in un ambiente chiuso. Non è ancora niente, ma non le condizioni standard per far funzionare le celle solari. Qualsiasi difetto nel semiconduttore che costituisce la cella solare porterà immediatamente ad un calo di potenza." prestazione."

Nessun semiconduttore è incontaminato e piccole imperfezioni del "percorso di shunt" possono drenare parte della corrente generata dalla luce solare. Gli ingegneri delle celle solari possono rilevare questi percorsi di derivazione misurando la cosiddetta "corrente oscura".

"Se si hanno 2 milliampere di perdita a 500 milliampere di corrente da una costante solare nell'orbita terrestre, non è un problema. Ma se si scende a 16 milliampere su Giove, allora 2 milliampere sarebbero una perdita piuttosto significativa, soprattutto perché quando noi raggruppare le celle insieme in una stringa, la corrente di cella più bassa dominerà le uscite correnti della stringa."

La corrente oscura dei lotti di cellule è stata misurata sistematicamente dall’industria sotto la supervisione dell’ESA, con circa il 25% dei campioni che non sono riusciti a raggiungere i requisiti.

Radiazioni: il nemico invisibile

Un'altra sfida è stata quella di valutare gli effetti di un altro fattore importante dell'ambiente di Giove: l'elevata radiazione.

Carsten commenta: "Le celle solari dei satelliti geostazionari per telecomunicazioni sono naturalmente esposte alle radiazioni. Ciò che scopriamo è che, poiché sono continuamente esposte alla luce solare, le alte temperature le portano ad un certo grado di autoriparazione dai danni da radiazioni. Ma fuori a Giove tale autoguarigione non è disponibile.