Evropský vědecký JUICE: Fotovoltaické panely

Sonda Juice se vydá zkoumat Jupiter a jeho měsíce

Všech deset letových kusů segmentů fotovoltaických panelů pro evropskou vědeckou sondu JUICE dorazilo do nizozemského areálu firmy Airbus Defence and Space, kde proběhne jejich společná integrace. Právě fotovoltaické panely, jejichž celková plocha dosahuje 86 metrů čtverečních, budou představovat klíčový díl celé sondy – ta bude díky nim získávat elektrickou energii k provozu dalších systémů včetně vědeckých přístrojů. Samotné segmenty fotovoltaických panelů pro JUICE mají rozměry 2,5 × 3,5 metru a tvoří je uhlíkovým vláknem zesílené desky s šestihrannými „plástvemi“.

Na každém segmentu bychom napočítali 2356 fotovoltaických článků PVA. Dva výsledné fotovoltaické panely budou složeny z pěti segmentů, které budou mít po rozložení tvar kříže. Před startem však budou jednotlivé segmenty složeny, aby nezabíraly mnoho místa. Pro jejich rozložení v kosmickém prostoru je tedy potřeba důmyslný systém. Firma Airbus Defence and Space v nizozemském Leidenu zodpovídá nejen za výrobu panelů, ale i za rozkládací mechanismus. Návrh, výroba a instalace fotovoltaických článků vyžaduje specifické schopnosti a vybavení – k tomuto kroku tedy došlo ve firmě Leonardo v italském městě Nerviano nedaleko Milána.

Vizualizace sondy JUICE. Každý ze dvou fotovoltaických panelů tvoří pět segmentů uspořádaných do tvaru kříže.

Vizualizace sondy JUICE. Každý ze dvou fotovoltaických panelů tvoří pět segmentů uspořádaných do tvaru kříže.
Zdroj: http://sci.esa.int

Historie fotovoltaických panelů pro tuto misi je poměrně bohatá – v roce 2019 třeba vznikl kvalifikační model panelu a následně podstoupil sérii zkoušek, které napodobují extrémní prostředí, jakému bude sonda JUICE při své misi čelit. Kvalifikační model měl stejné rozměry jako letový exemplář, pouze na něm bylo menší množství fotovoltaických článků. Naopak měl něco, co letové panely nemají – celou řadu senzorů, které při zkouškách sledovaly jeho chování.

Test neletového kvalifikačního segmentu fotovoltaického panelu sondy JUICE během zkoušek v německém IABG.

Test neletového kvalifikačního segmentu fotovoltaického panelu sondy JUICE během zkoušek v německém IABG.
Zdroj: https://cdn.sci.esa.int/

Testy proběhly v německém Ottobrunnu v IABG (Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH), kde byl testovací panel ochlazen na teplotu -150°C, čelil vakuu a ve stejnou chvíli na něj svítily lampy s podobnou intenzitou, jakou bude mít sluneční záření u Jupiteru. Inženýři přitom měřili tepelné a elektrické vlastnosti panelu, aby mohli ověřit, že návrh splňuje požadované parametry – to znamená, že panel je bezpečný a i z toho mála paprsků u Jupiteru dokáže vygenerovat dostatek energie.

Souběžně s tím se na několika pracovištích po celé Evropě testovaly jednotlivé díly i vzorky materiálů, aby bylo jisté, že panely odolají drsnému radiačnímu prostředí u Jupiteru. Masivní magnetické pole obří plynné planety vytváří radiační pásy kolem Jupiteru. Jsou to struktury podobné pozemským Van Allenovým pásům, jen jsou výrazně silnější. Na rozdíl od elektronické jednotky, která se bude nacházet hluboko v těle sondy, kde bude stíněna speciální konstrukcí potaženou tenkou vrstvou olova, materiály a díly fotovoltaických panelů budou nechráněné a musí tedy odolat místní radiaci v plné síle.

Vzhledem k průběhu mise, se kterým jsou spojeny teplotní extrémy, bylo potřeba v IABG provést dodatečné tepelné zkoušky i s osvětlením segmentu panelu. Po startu bude sonda spoléhat na sérii gravitačních manévrů u Země (tři průlety), Venuše a Marsu, díky kterým získá dostatečnou rychlost, aby mohla doletět k Jupiteru. Právě u Venuše bude sonda zažívat největší ohřívání, jelikož se dostane blízko ke Slunci. Naopak Jupiter obíhá od Slunce 5× dál, než naše Země a teploty tam klesají velmi nízko. A aby toho nebylo málo, tak u Jupiteru čeká na sondu nemálo okamžiků, kdy jí přímý pohled na už tak vzdálené Slunce dočasně zastíní buďto planeta sama, nebo některý z jejích Měsíců. Tím pádem se fotovoltaické panely ochladí ještě více. Abychom si to shrnuli – fotovoltaické panely sondy JUICE musí fungovat po celou dobu mise, při které zažijí teploty v rozmezí od -230 °C do + 110 °C.

K otestování těchto odlišných extrémů, tedy aby bylo možné otestovat segment panelu v životní velikosti jak při nejvyšší tak i nejnižší očekávané teplotě, muselo vzniknout úplně nové testovací zařízení – nese název WRTF (Wide Range Test Facility). Jeho stavbě navíc pomohlo belgické středisko CSL (Centre Spatial de Liège), v jehož největší vakuové komoře se WRTF nachází. Samotné zařízení WRTF vypadá na první pohled jako nezajímavý kvádr. Jedná se však o tepelně izolované zařízení, v jehož útrobách najdeme rozvody kapalného helia, které se používá jako chladicí médium. Premiérové nasazení si WRTF odbyl při testech kvalifikačního modelu fotovoltaického panelu pro JUICE.

Zařízení WRTF (Wide Range Test Facility) při testech segmentů fotovoltaických panelů sondy JUICE.

Zařízení WRTF (Wide Range Test Facility) při testech segmentů fotovoltaických panelů sondy JUICE.
Zdroj: https://cdn.sci.esa.int/

Před a po těchto zkouškách teplotních cyklů byl kvalifikační exemplář otestován s příslušnou úrovní osvětlení, přičemž bylo možné odhalit i sebemenší zhoršení výkonu způsobené zkouškami teplotních cyklů. Později bylo zařízení WRTF využito i při testech každého z deseti letových exemplářů segmentů. Když se podařilo vyřešit výzvy spojené s technickým návrhem, museli si členové týmu poradit s výzvou logistickou. Panely uložené v kontejnerech o rozměru garáže musely cestovat přes půl Evropy zatímco experti z firmy Leonardo hledali nejlepší způsob, jak nainstalovat a připojit na deset různých segmentů celkem 23 560 fotovoltaických článků v rozumném čase.

První kostry letových segmentů fotovoltaických panelů byly z Nizozemí do Milána dodány v srpnu 2019 a již v září začalo kladení fotovoltaických článků. Výroba a testy probíhaly postupně – v každé várce se řešily vždy dva segmenty, protože WRTF v Belgii zvládne najednou otestovat právě dva exempláře. Díky tomuto přístupu bylo možné, aby se na jednu dvojici segmentů v Itálii instalovaly fotovoltaické články, zatímco jiná dvojice procházela zkouškami v Belgii a další dvojice byla na cestě zpět do Nizozemí.

Letový exemplář segmentu fotovoltaického panelu sondy JUICE.

Letový exemplář segmentu fotovoltaického panelu sondy JUICE.
Zdroj: https://cdn.sci.esa.int/

Když se přesuneme do 11. září 2020, zjistíme, že právě v tento den byly do nizozemské pobočky firmy Airbus Defence and Space doručeny i poslední letové segmenty fotovoltaických panelů – všechny v plné zbroji, tedy osazené články i příslušnou kabeláží. Šlo o významný milník v rámci přípravy mise, který mohl být dosažen jen díky tvrdé práci všech zapojených firem a jejich vzorné spolupráci. Experti dokázali překonat nejen standardní obtíže, ale i nečekané překážky spojené s omezeními kvůli COVID-19.

Teď, když jsou všechny segmenty otestované a pod jednou střechou, může společnost Airbus Defence and Space Netherlands zahájit integraci jednotlivých segmentů do dvou fotovoltaických panelů. Ty budou průběžně testovány (ať už mechanicky či elektricky) a po dokončení se vydají do Francie – konkrétně do Toulouse, kde má Airbus Defence and Space další ze svých středisek. Tento přesun se očekává v první polovině roku 2021 a poté proběhne integrace obou dokončených panelů na tělo sondy.

25. září 2020 už probíhala integrace segmentů jednoho fotovoltaického panelu.

25. září 2020 už probíhala integrace segmentů jednoho fotovoltaického panelu.
Zdroj: https://cdn.sci.esa.int/

Po připojení přijde řada na další kolečko zkoušek – testovat se bude mechanika panelů i rozkládací sekvence. Inženýři budou zkrátka a dobře ověřovat, zda je vše správně spojeno a že panely budou schopné dodávat elektrickou energii. Jelikož se bude na každé straně sondy rozkládat plocha větší než 40 metrů čtverečních, čeká na inženýry, kteří mají stavbu a zkoušky JUICE na starost, další velká výzva.

Přeloženo z:
https://sci.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/…/exploring_jupiter/17065944-1-eng-GB/Exploring_Jupiter.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/cb/JUICE_spacecraft_20170711.jpg
https://cdn.sci.esa.int/…f9992348d7b0?version=1.0&t=1602769995820
https://cdn.sci.esa.int/…5ddbcb26c71b?version=1.0&t=1602770602569
https://cdn.sci.esa.int/…d924222b8049?version=1.0&t=1602769122351
https://cdn.sci.esa.int/…9bd488a90c3b?version=1.0&t=1602771023934

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

7 komentářů ke článku “Evropský vědecký JUICE: Fotovoltaické panely”

  1. JanHonnza napsal:

    Nejsou známy výkonové parametry zmíněných článků?

    • Dan napsal:

      Nevím, jak jednotlivé články (ono se to dá spočítat), ale design je takový, že ke konci mise budou panely dávat zhruba 820 W.

      • JanHonnza napsal:

        díky, je.li tedy solární konstanta v úrovni Jupiterovy dráhy cca 50,52W, pak je účinnost článků pořád ještě na hodnotě kolem 20%, což je na konci mise skvělé…

        • Michal Václavík napsal:

          Účinnost je vlastnost fotovoltaických článků a není závislá na vzdálenosti od Slunce. Sluneční konstanta určuje kolik energie dopadá na jednotku plochy, ta se vzdáleností od Slunce klesá. Ale na elektrickou energii se „převádí“ stále se stejnou účinností.

          • JanHonnza napsal:

            OK, al pak je účinnost panelů velmi, teda velmi nízká, pokud jr cílový výkon jen

            Jaká je potom účinnost zařízení s plochou 10×2,5×3,5m, je- li cílový výkon zařízení 820W? Nechce se mi násobit, řeknu jak pan Balcar – hodně málo. Někde něco nesedí. Na Zemi křemík max. něco k 20%, že?

          • JanHonnza napsal:

            Pardon, první věta měla být smazána – telefon.

        • Michal Václavík napsal:

          Celková plocha panelů je cca 87,5 m^2 (2,5×3,5×10). Sluneční konstanta ve vzdálenosti Země od Slunce 1361 W/m^2, při velké poloose oběžné dráhy Jupiteru 5,2 au, pak vychází sluneční konstanta u Jupiteru cca 50,4 W/m^2. Pokud budeme počítat s Dušanem uvedenými 820 W výkonu EOL, pak z této jednoduché úvahy vychází účinnost fotovoltaických panelů 18,6 %. Tím ale úloha nekončí, je třeba započítat alespoň hlavní negativní vlivy, kam patří degradace vlivem záření, nepřesnost pointace, vliv teploty apod. Stejně tak je třeba vzít v potaz, že panely také nejsou plně pokryty fotovoltaickými články, ani samotné články nejsou na 100 % svého povrchu „aktivní“. Zhruba jsem to teď celkově spočetl na nějakých 0,65 tzn. že výkon BOL je 1262 W. Při zohlednění tohoto vychází účinnost 28,6 %. Na sondě JUICE jsou použity lehce optimalizované klasické fotovoltaické články 3G28 od Azur Space. Jejich katalogová účinnost je 28,3 %, takže jsem se ve své úvaze o tolik nespletl a také návrh sondy JUICE je v pořádku 😀

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.