ESA

Willkommen im Jupiter-Weltraum: Auf der einen Seite ragt die riesige Wolkendecke des größten Planeten unseres Sonnensystems auf; Im anderen Fall erscheint eine geschrumpfte Sonne, wie ein Scheinwerfer am Himmel, wobei nur 3 % der Beleuchtung aus der Erdumlaufbahn hier ankommen. Diese grundlegende Tatsache stellte eine große Herausforderung für diejenigen dar, die die Jupiter Icy Moons Explorer-Mission Juice der ESA planten: Wie lässt sich Solarenergie in einer so düsteren Umgebung, die durchschnittlich 778 Millionen Kilometer von unserem Mutterstern entfernt ist, zum Laufen bringen?

Theoretisch war es möglich. Im vorangegangenen Jahrzehnt hatte sich die solarbetriebene Rosetta-Mission der ESA auf ihrer Mission, sich mit einem Kometen zu treffen, bis in die Entfernung der Jupiterumlaufbahn vorgewagt – musste jedoch 31 Monate lang in einen fast vollständigen Winterschlaf verfallen, um knappe Energie zu sparen.

„Das war die Sorge – wir waren auf dem Weg zu einem weit entfernten, dunklen Ort“, bemerkt Christian Erd, Manager der Juice-Raumsonde. „Eine der ersten Technologieentwicklungsaktivitäten für die Mission war die Entwicklung von Solarzellen, die auf jeden Fall rund um Jupiter funktionieren könnten. Die gute Nachricht war, dass sich die Technologie seit den Tagen von Rosetta stark weiterentwickelt hat.“

Hochmoderne Solarzellen

Der Solarzellen-Ingenieur Carsten Baur wurde beauftragt, eine Lösung zu finden: „Rosetta war zu einer Zeit geflogen, als Silizium-Solarzellen noch Stand der Technik waren. Seitdem sind die Standard-Solarzellen für Weltraummissionen auf das effizientere Galliumarsenid umgestiegen.“ -basierte Einheiten, die ein Triple-Junction-Zellendesign verwenden – das heißt, drei Zellschichten werden übereinander gelegt, wobei jede von ihnen Strom aus unterschiedlichen Wellenlängen des Sonnenlichts erzeugt.“

Das Ergebnis ist, dass die Solarzellen von Rosetta einen Wirkungsgrad von etwa 20 % erreichen, während die neuesten GaAs-Triple-Junction-Zellen etwa 30 % erreichen. Aber es ging nicht darum, Solarzellen einfach von einer generischen Mission auf Juice zu übertragen. Sie mussten speziell auf ihre Leistung unter den LILT-Bedingungen (niedrige Intensität und niedrige Temperatur) getestet werden, die rund um Jupiter vorherrschen, wo die Temperatur der Solarpaneele von Juice beim Verlassen der Sonnenfinsternis auf nur 30 Grad Celsius unter dem absoluten Wert sinken kann null.

„Ändert man die Umgebung, ändert sich auch das Verhalten“, fügt Carsten hinzu. „Also mussten wir unsere Testaufbauten an schwaches Licht und Kälte anpassen. Wir begannen mit der neuesten Version der europäischen Solarzelle, der 3G30 von Azur Space in Deutschland, die bei Raumtemperatur eine viel bessere Leistung aufweist als ihr Vorgänger 3G28. Aber die Das Gleiche galt nicht für niedrigere Temperaturen – sie hatten spezifische thermisch aktivierte Defekte, die bedeuteten, dass wir auf 3G28 umsteigen mussten.“

Und nachdem der Typ ausgewählt war, mussten die einzelnen Zellchargen noch einer detaillierten Prüfung unterzogen werden.

Testen auf Leistung

„Die Leistung, die wir auf der Erde empfangen, beträgt etwa 1360 Watt pro Quadratmeter“, erklärt Carsten. „Draußen bei Jupiter sind es eher 50 Watt pro Quadratmeter, als würde man drinnen gehen. Es ist immer noch nicht nichts, aber keine Standardbedingungen für den Betrieb von Solarzellen. Jeder Fehler im Halbleiter, aus dem die Solarzelle besteht, führt sofort zu einem Rückgang.“ Leistung."

Kein Halbleiter ist makellos und kleine Fehler im „Nebenschlusspfad“ können einen Teil des durch Sonnenlicht erzeugten Stroms ableiten. Solarzelleningenieure können diese Nebenschlusspfade erkennen, indem sie diesen sogenannten „Dunkelstrom“ messen.

„Wenn Sie einen Verlust von 2 Milliampere bei 500 Milliampere Strom von einer Sonnenkonstante in der Erdumlaufbahn haben, ist das kein Problem. Aber wenn Sie am Jupiter nur noch 16 Milliampere haben, wären 2 Milliampere ein ziemlich erheblicher Verlust, vor allem, weil wir... Gruppieren Sie Zellen zu einem String, dann dominiert der niedrigste Zellenstrom die Stromausgänge des Strings.“

Der Dunkelstrom von Zellchargen wurde von der Industrie unter Aufsicht der ESA systematisch gemessen, wobei etwa 25 % der Proben die Bewertung nicht erreichten.

Strahlung: der unsichtbare Feind

Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Auswirkungen eines weiteren wichtigen Faktors der Jupiterumgebung abzuschätzen: der hohen Strahlung.

Carsten kommentiert: „Die Solarzellen geostationärer Telekommunikationssatelliten sind natürlich Strahlung ausgesetzt. Wir stellen fest, dass sie aufgrund der ständigen Sonneneinstrahlung aufgrund hoher Temperaturen zu einem gewissen Grad an Selbstheilung durch Strahlungsschäden führen. Aber draußen Eine solche Selbstheilung ist bei Jupiter nicht möglich.

„Dementsprechend haben wir mit einem Team der Ecole Polytechnique in Frankreich zusammengearbeitet, das über einen tragbaren Kryostat und einen Sonnensimulator verfügte, um die Beleuchtungsbedingungen zu reproduzieren, wie sie am Jupiter herrschen. Dadurch konnten wir Strahlungstests bei niedrigen Temperaturen durchführen und – ohne die Temperatur dazwischen zu erhöhen – „In-situ-Leistungsmessungen durchzuführen, um den Verlustfaktor zu ermitteln. Dagegen arbeiten Solarzellen bei niedrigen Temperaturen tatsächlich effizienter.“

Abnehmen

Insgesamt werden etwa 24.000 Solarzellen benötigt, um Juices 85 m² große Solaranlagen abzudecken – das ist die Hälfte der Fläche eines Volleyballfeldes oder die durchschnittliche Wohnfläche eines britischen Hauses.

Diese schiere Menge an Solarzellen bedeutete, dass jede Verringerung ihrer Größe die Missionsmasse auf sinnvolle Weise verringern könnte.

Der Betrieb mit niedrigeren Strömen als bei der Standardkonstruktion bedeutete, dass die Dicke der „Metallisierung“ der Solarzellen auf ihrer Vorderseite, die zur Übertragung dieser Ströme verwendet wird, reduziert werden konnte, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen, während die Germanium-Unterlage, auf der die Zellen aufgebracht waren, ebenfalls abgeschliffen wurde – Verdünnung jedes einzelnen von 150 auf 100 Mikrometer.

Umgekehrt war das Deckglas dicker als normal, um die Solarzellen vor Strahlung zu schützen, mit einer nanometergroßen Schicht aus Indiumzinnoxid überzogen und durch winzige Kupferdrähte miteinander verbunden, um den Aufbau elektrostatischer Aufladung durch die im Weltraum vorkommenden energiereichen Teilchen zu verhindern Andernfalls könnten die Ergebnisse der empfindlichen Magnet- und Plasmainstrumente von Juice beeinflusst werden.

Fachwissen an Europa Clipper weitergegeben

Die Azur Space 3G28-Solarzellen – mit Substratplatten von Airborne in den Niederlanden, entwickelt von Leonardo in Italien und integriert von Airbus Defence and Space in den Niederlanden – wurden letztendlich zu den am besten charakterisierten Solarzellen für LILT-Bedingungen. Dementsprechend wurde bei der Europa-Clipper-Mission der NASA zum Jupiter die Entscheidung getroffen, genau die gleichen Solarzellen zu verwenden – was nicht nur eine technische Errungenschaft für Europa, sondern auch einen bemerkenswerten Exporterfolg darstellt.

Über Juice hinaus untersuchen Carsten und seine Kollegen, inwieweit die Solarenergie noch in das äußere Sonnensystem ausgedehnt werden könnte: „Wir können die Effizienz noch auf verschiedene Weise steigern und auch größere Flächen nutzen, beispielsweise durch den Einsatz flexibler Solarzellen und Solarpaneele.“ die ohnehin für die neuesten Telekommunikationsmissionen entwickelt wurden. Wir haben also noch keine absolute Entfernungsgrenze erreicht.“

Sehen Sie sich die Videoserie „The Making of Juice“ an

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