Příběh technologie: Svinovací fotovoltaické panely

Příběh technologie: Svinovací fotovoltaické panely

2. dubna 2022

Kosmický výzkum přináší stále nové technologie, které jsou v mnoha ohledech lepší než ty předešlé. NASA se nyní rozhodla připomenout historii vývoje inovativních fotovoltaických panelů, kterým navíc svítá nadějná budoucnost. Klasické fotovoltaické panely pro použití v kosmickém prostoru mohou být docela drahé a jejich provoz bývá velmi komplexní. Svinovací fotovoltaické panely ROSA (Roll-Out Solar Arrays) představují alternativní možnost oproti existujícím technologiím. Tyto panely mají kompaktnější design, jsou dostupnější, nabízí vyšší úroveň autonomie a mohou být využity na širokém spektru vědeckých i komerčních misí – od nízké oběžné dráhy Země až po meziplanetární cesty.

Nové panely iROSA v trunku lodi Dragon pro misi CRS-22.
Zdroj: https://images-assets.nasa.gov/

Fotovoltaické panely iROSA (založené na technologii ROSA) začaly být nedávno instalovány na Mezinárodní kosmickou stanici, které mají zajistit vyšší dodávky elektrické energie, aby bylo možné na stanici provádět více špičkových výzkumným projektů. Panely využívající technologii ROSA se ale využijí i na vědeckých a průzkumných misích – například sondě DART či modulu PPE pro stanici Gateway. Technologie zaujala i komerční firmy a začíná se prosazovat i na trhu komerčních družic.

Projekt ROSA byl původně vyvinutý společností DSS (Deployable Space Systems) s podporou NASA. Agentura od roku 2009 finančně podporovala prostřednictvím ředitelství technologií kosmických misí vývoj firmy DSS. Začínalo se od základního konceptu ROSA, vše pokračovalo vývojem, který vyvrcholil úspěšnou demonstrací technologie v kosmickém prostoru, provozním využitím a dalšími špičkovými potenciálními aplikacemi. V roce 2021 byla společnost DSS odkoupena firmou Redwire Space, která pokračuje v aplikacích technologie ROSA jak pro mise NASA, tak i v komerčním sektoru.

Pozemské testy panelu iROSA.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Výzva

„Napadne Vás jednoduchý koncept, ale k tomu, abyste ho dostali do kosmického prostoru, musíte se řídit řízenou explozí, která je hnacím motorem vašeho designu,“ říká Ken Steele, viceprezident Redwire Space pro rozvoj obchodu. Slunce je největším zdrojem energie v našem okolí a každou sekundu vyprodukuje více energie, než kolik lidstvo spotřebovalo za posledních 70 let. Většina sond využívá fotovoltaické panely, aby zachytily část tohoto neustálého proudu energie ze Slunce a využily ji k zajištění dodávek elektrické energie, ale i teplotní pohody. Návrhy fotovoltaických panelů se točí kolem dvou základních faktorů – velikosti a spolehlivosti, což se neoptimalizuje úplně snadno. Velikost panelů ovlivňuje i cenu startu, zatímco dlouhodobá spolehlivost je nezbytná k přečkání drsných podmínek kosmického prostředí – od výkyvů teplot, přes kosmické záření až po dopady mikrometeoroidů. Běžně se používají fotovoltaické panely, které jsou pevné, velké, těžké a s komplexním provozem. Ředitelství NASA pro technologie kosmických misí proto vycítilo šanci, že by projekt ROSA mohl vylepšit design fotovoltaických panelů.

Výhody

Solární panely iROSA v nákladním trunku lodi Dragon 2 po oddělení od horního stupně rakety
Zdroj: https://www.spaceflightinsider.com/

Velikost: Panel ROSA je kompaktní a může být před startem smotán do ruličky jako koberec. Tím se výrazně usnadňuje jeho převoz při zachování velké aktivní plochy. Kromě toho je možné panely s technologií ROSA škálovat podle potřeby. Firma DSS se také zaměřila na to, aby byl návrh modulární a flexibilně se mohl přizpůsobit odlišným požadavkům různých misí. Malé družice mohou využít zmenšenou verzi panelů ROSA, ale naopak mise mířící do hlubšího vesmíru by mohly dostat extrémně velké panely s touto technologií.

Rozkládání: Matt LaPointe, technický ředitel firmy Redwire pro program iROSA říká, že experti hledali jednoduchý rozkládací systém s kompozitním nosníkem. Velké fotovoltaické panely běžně používají rozkládací systém s motorem, což vyžaduje zapojení lidského faktoru a nezbytné jsou i poměrně velké elektronické systémy. Rozkládání panelů ROSA je oproti tomu autonomní a k rozložení využívá energii uloženou v kompozitním nosníku – podobně jako se ve stlačené pružině ukládá energie, která se pak může samovolně uvolnit. Používání většího množství systémů ovlivňuje spolehlivost, takže nasazení kompozitních nosníků drasticky snižuje pravděpodobnost, že se mechanismus zasekne, nebo že motor přestane pracovat, což u klasického designu znamená, že se panel nerozloží.

Manipulace se starými fotovoltaickými panely na stanici ISS.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Výkon: Ačkoliv jsou panely s technologií ROSA menší než ty klasické, jedná se o vysoce účinnou technologii, která dokáže produkovat (podle velikosti) více než 30 kW na panel. ROSA využívá vysoce efektivní fotovoltaické články, přičemž budoucí vývoj počítá dokonce s experimentováním kolem koncentrátorů, které by mohly výkon ještě navýšit. Výhodou je, že zmíněný kompozitní nosník poskytuje strukturální pevnost, odolává dynamickému prostředí, široké škále frekvencí, dopadům mikrometeoroidů i kosmické tříště, čímž poskytuje spolehlivý základ pro dlouhodobé mise.

Vývoj technologie

2009 – 2013: Financování prvotní fáze

První ocenění přišlo z programu SBIR (Small Business Innovation Research), který slouží k podpoře inovativního výzkumu malými firmami. Další impuls už poskytla NASA prostřednictvím programu STTR (Small Business Technology Transfer). Díky této podpoře se mohl projekt ROSA opravdu rozjet a posouvat vpřed. V roce 2009 získala firma DSS na vývoj a výzkum projektu ROSA celkem 1,15 milionu dolarů, když byla vybrána do první a druhé fáze programu SBIR. V dalších letech pak firma DSS získala prostřednictvím projektu SBIR více než 20 dodatečných dohod s NASA, čímž byl zajištěn další vývoj projektu ROSA.

2014: Zrání technologie a demonstrace

O přechod z fáze konceptů, který obstarala ocenění projektu SBIR, do fáze vývoje funkčního prototypu se postaral program vývoje přelomových technologií (Game Changing Development program), který provozuje Ředitelství NASA pro technologie kosmických misí. Krátce poté oddělení kosmických demonstračních misí, které spadá pod ředitelství pro technologie kosmických misí, rozhodlo, že podpoří pozemskou demonstraci technologie. Tato zkouška prokázala, že ROSA měla ve srovnání s tehdejšími špičkovými fotovoltaickými panely vyšší rozkládací pevnost, lepší provozní napětí i celkový výkon na panel.

Vizualizace zkoušky demonstrátoru ROSA.
Zdroj: http://spaceflight101.com

2017: Letová demonstrace

Firma DSS navázala spolupráci s Výzkumnou laboratoří amerického letectva AFRL (Air Force Research Lab) na provedení demonstrační zkoušky na kosmické stanici ISS. Test provedený v červnu 2017 byl úspěšný a výrazně snížil nejistotu a riziko problémů při začlenění této technologie. Bez přehánění můžeme říct, že se technologii ROSA otevřely dveře k implementaci do misí. Během kosmické demonstrace také ROSA otestovala tři kompatibilní fotovoltaické články.

Infografika popisující úroveň technologické připravenosti TRL. Na začátku jsou teorie o možnostech nějakých technologií. S tím, jak se ověřují, se přechází k testům a na konci je běžně využívaná technologie. Mezi prvním a posledním stupněm často uplynou i desítky let.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

2017 – 2019: Nárůst komerčních uplatnění

Několik finančních injekcí od Ředitelství NASA pro technologie kosmických misí umožnilo firmě DSS prokázat vědeckou, technickou a obchodní úroveň a přitom stále zlepšovat kvalitu ROSA. V roce 2019 firma DSS získala další prostředky prostřednictvím programu CCRPP (Civilian Commercialization Readiness Pilot Program), který spadá pod již zmíněný STTR (Small Business Technology Transfer) provozovaný agenturou NASA. Tento program má za úkol urychlit vývoj technologií a cestě k jejich praktickým aplikacím. „Financování první fáze bylo katalyzátorem, který umožnil bývalému prezidentovi DSS Brianovi Spenceovi, aby se rozvíjel svůj nápad, tedy aby nejen dokončil demonstraci, ale také dotáhl technologii na úroveň TRL 8/9 a prosazoval ji dál,“ vzpomíná Ken Steele. Úroveň technické vyspělosti TRL (Technology Readiness Levels) udává, jak moc je daná technologie vyspělá a odvozuje se od řady parametrů. Technologie na úrovni TRL 8 již byla otestována a je připravena k implementaci do existujících technologií. Technologie na TRL9 již byla ověřena prostřednictvím úspěšného provozu ostrých misí.

Praktické aplikace a komercionalizace

Aplikace v pilotované kosmonautice na nízké oběžné dráze Země: Program rozšíření dodávek energie na ISS

V pravé části jsou vidět první panely iROSA.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Program ISS Power Augmentation hledal inovativní řešení pro výrobu energie, kterou dříve zajišťovaly starší panely. 20. června 2021 dokončili astronauti na ISS instalaci dvou nových panelů iROSA. Tyto panely pak byly rozvinuty před těmi původními a na začátku své služby poskytují elektrický výkon 28 kW. Každý panel iROSA má oproti původním panelům jen sotva poloviční velikost, takže nezastíněná část starých panelů může nadále dodávat elektřinu – ty dohromady zajistí elektrický výkon 95 kW. Jakmile bude nainstalováno všech šest panelů iROSA, měl by se elektrický výkon fotovoltaických panelů na ISS navýšit na 250 kW, což je oproti původnímu stavu zlepšení o 30 %.

Aplikace v lunárním průzkumu: Modul PPE (Power and Propulsion Element) na stanici Gateway

Vizualizace modulu PPE s panely ROSA.
Zdroj: https://redwirespace.com/

Stanice Gateway se má stát základnou na oběžné dráze Měsíce, která bude hrát v americkém programu Artemis významnou roli. Má sloužit jako přestupní bod mezi Zemí, Měsícem a cíli v hlubším vesmíru. Budou zde také probíhat nové vědecké výzkumy, pobyty astronautů, vyrážet odsud mají výpravy na povrch Měsíce a otestují se tu technologie pro budoucí cestu lidí k Marsu. Modul stanice Gateway, pojmenovaný PPE (Power and Propulsion Element), bude zajišťovat dodávky elektrické energie, vysokorychlostní komunikaci a pohon prostřednictvím iontových motorů. Modul také zajistí řízení orientace v prostoru či výraznější změnu dráhy stanice Gateway. Tyto funkce potřebují hodně elektrické energie a proto bude modul PPE vybaven dvojicí panelů ROSA, které budou jediným zdrojem elektrické energie – společně zajistí elektrický výkon 60 kW.

Aplikace v hlubším vesmíru: Sonda DART (Double Asteroid Redirection Test)

Sonda DART v čisté místnosti na Vandenbergově základně.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Mise DART má ověřit technologie planetární obrany pro odklon potenciálně nebezpečné planetky, u které by hrozila srážka se Zemí. Sonda DART záměrně narazí do cílové planetky, která nepředstavuje pro Zemi žádné riziko, čímž se vyzkouší, jak tato kolize změnila její rychlost a dráhu. Požadavky na fotovoltaické panely sondy DART uváděly, že mají být levné a lehké, ale přitom schopné dodávat energii pohonnému systému. Právě z těchto důvodů byly vybrány panely s technologií ROSA. Kromě toho byly některé fotovoltaické články nahrazeny vylepšenou verzí a koncentrátory. Bude se tedy v praxi ověřovat jejich využitelnost pro mise ke vzdálenějším planetám, kde je méně slunečního záření. Koncentrátory poskytnou teplo ke zlepšení výkonnostních parametrů v podmínkách meziplanetárního prostoru, kde je málo světla a nízké teploty. Tyto koncentrátory by mohly nahradit několik fotovoltaických článků, snížit ceny misí do vnitřních částí Sluneční soustavy při zachování výkonnostních parametrů. Sonda DART se dvěma panely ROSA schopnými autonomního rozložení odstartovala 24. listopadu roku 2021. Stala se tak první misí do meziplanetárního prostoru, která byla napájena panely ROSA.

Aplikace v komerčním sektoru: Maxar Technologies

Společnost Maxar Technologies již zapracovává modulární verze programu ROSA do komerčních geostacionárních družic.