ESA

木星空間へようこそ。一方には、太陽系最大の惑星の広大な曇った顔がそびえ立っています。 もう一方には、空のスポットライトのように縮んだ太陽が現れ、地球軌道からの照明のわずか 3% がここに到達します。 この基本的な事実は、ESAの木星氷衛星探査機ジュースのミッションを計画している人々にとって、大きな課題となった。それは、親星から平均7億7,800万キロ離れたこのような暗い環境で、太陽光発電をどのように機能させるのかというものだった。

理論的には可能でした。 過去10年間、ESAの太陽光発電ロゼッタ計画は彗星とランデブーするという使命で木星周回軌道の彼方まで冒険に出ていたが、乏しい電力を節約するために31か月にわたってほぼ完全な冬眠状態に入らなければならなかった。

「これが懸念でした。私たちは遠く離れた暗い場所に向かっているのです」とジュース宇宙船マネージャーのクリスチャン・エルド氏は言う。 「このミッションのために最初に提起された技術開発活動の1つは、木星の周囲で間違いなく動作し続けることができる太陽電池を開発することでした。良いニュースは、技術がロゼッタの時代から大きく進歩していたことです。」

最先端の太陽電池

太陽電池エンジニアのカールステン・バウア氏は、解決策を見つける任務を負った。「ロゼッタは、シリコン太陽電池がまだ最先端だった時代に飛行した。それ以来、宇宙ミッションに使用される標準的な太陽電池は、より効率的なガリウムヒ素に移行した」三重接合セル設計を使用したベースのユニット。つまり、3 層のセルが互いに重なり合い、それぞれが太陽光の異なる波長から電力を生成します。」

その結果、Rosetta の太陽電池の効率は約 20% でしたが、最新の GaAs 三重接合セルでは約 30% に達しました。 しかし、一般的なミッションから太陽電池をジュースに移植するだけの問題ではありませんでした。 木星の周囲で一般的な「低輝度、低温」条件、つまり LILT 条件での性能について特別にテストする必要がありました。この条件では、宇宙船が日食から出たときのジュースのソーラー パネルの温度は、絶対温度よりわずか 30 ℃ 手前まで下がる可能性があります。ゼロ。

「環境を変えると行動も変わります」とカーステン氏は付け加えた。 「そのため、テストのセットアップを低照度と寒さに適応させる必要がありました。私たちは、ヨーロッパの太陽電池の最新バージョンである、ドイツのアズール スペース社の 3G30 から始めました。これは、前世代の 3G28 よりも室温での性能がはるかに優れています。しかし、低温では同じことが当てはまらず、特定の熱活性化欠陥があったため、3G28 に切り替える必要がありました。」

そして、タイプを選択した後も、個々のセルバッチを詳細に精査する必要がありました。

パフォーマンスのテスト

「地球で私たちが受け取る電力は1平方メートルあたり約1360ワットです」とカーステン氏は説明する。 「木星では、屋内にいるのと同じように、1平方メートルあたり50ワット程度です。それでも何もないわけではありませんが、太陽電池を動作させる標準的な条件ではありません。太陽電池を構成する半導体に欠陥があると、すぐに電力の低下につながります」パフォーマンス。"

完全な状態の半導体は存在せず、小さな「シャント パス」の欠陥により、太陽光から生成される電流の一部が流出する可能性があります。 太陽電池エンジニアは、このいわゆる「暗電流」を測定することで、これらのシャント経路を検出できます。

「地球軌道上のある太陽定数からの500ミリアンペアの電流で2ミリアンペアの損失がある場合、それは問題ではありません。しかし、木星で16ミリアンペアまで低下している場合、2ミリアンペアは非常に重大な損失になります。セルを 1 つのストリングにグループ化すると、最も低いセル電流がストリングの電流出力を支配します。」

電池バッチの暗電流は、ESA の監督下で業界によって体系的に測定され、サンプルの約 25% がグレードに合格しませんでした。

放射線：見えない敵

もう 1 つの課題は、木星の環境のもう 1 つの主要な要因である高放射線の影響を評価することでした。

カールステン氏は次のようにコメントしている。「静止通信衛星の太陽電池は、もちろん放射線にさらされています。我々が発見したのは、太陽電池は継続的に太陽光にさらされると、高温により放射線によるダメージからある程度の自己修復が起こるということです。ジュピターにはそのような自己修復機能はありません。

「したがって、私たちは、木星で経験したような照明条件を再現するために、ポータブルクライオスタットと太陽シミュレーターを持っていたフランスのエコール・ポリテクニックのチームと協力しました。これにより、途中で温度を上昇させることなく、低温放射線試験を実行できるようになりました」 「その場で性能測定を行って損失係数を評価するためです。それに対して、太陽電池は低温でより効率的に動作します。」

スリム化

全体として、ジュースの 85 平方メートルの太陽電池アレイをカバーするには、合計約 24,000 個の太陽電池が必要です。これはバレーボール コートの半分の面積、または英国の家庭の平均居住スペースに相当します。

この膨大な量の太陽電池は、そのサイズを縮小すれば、有意義な方法でミッションの質量をスリム化できることを意味しました。

標準設計よりも低い電流で動作するということは、電流を伝達するために使用される太陽電池の前面の「メタライゼーション」の厚さを、機能を損なうことなく減らすことができ、同時にセルが置かれていたゲルマニウムの裏面も研磨されることを意味しました。 – それぞれを 150 マイクロメートルから 100 マイクロメートルまで薄くします。

逆に、カバーガラスは太陽電池を放射線から保護するために通常より厚く、インジウムスズ酸化物のナノメートルスケールの層でコーティングされ、宇宙で遭遇する高エネルギー粒子からの静電荷の蓄積を防ぐために小さな銅線で相互接続されていました。そうしないと、ジュースの高感度磁気機器やプラズマ機器の結果に影響を与える可能性があります。

ヨーロッパ クリッパーに受け継がれた専門知識

Azur Space 3G28 太陽電池は、オランダの Airborne 社の基板パネルを使用し、イタリアの Leonardo 社が起工し、オランダの Airbus Defense and Space 社によって統合されたもので、最終的に LILT 条件に最適な特性を備えた太陽電池となりました。 したがって、NASA の木星へのヨーロッパ クリッパー ミッションでは、まったく同じ太陽電池を使用する決定が下されました。これは、ヨーロッパにとっての技術的成果だけでなく、顕著な輸出の成功も意味します。

ジュースを超えて、カーステンと彼の同僚は、太陽系外縁部に太陽光発電をさらにどの程度拡張できるかを検討している。「さまざまな手段で効率を高め、たとえばフレキシブル太陽電池やソーラーパネルを使用してより広いエリアに展開することも可能です」とにかく最新の通信ミッション用に開発されたものなので、絶対的な距離の壁にはまだ到達していません。」

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