Sonda Juno napájená solárními panely u Jupiteru

V noci z pondělí na úterý 5. července se na 35 minut zapálil motor sondy Juno vyrobený ve Velké Británii a zpomalil sondu natolik, že byla zachycena Jupiterem a dostala se na oběžnou dráhu této největší planety ve Sluneční soustavě. Oběžná doba této dráhy je 53 dní. Informace o tomto úspěchu přišla na Zemi v 5:53 našeho času a v řídícím středisku propukl jásot. Po cestě, která měla délku 2,8 miliard kilometrů, se sonda stala teprve druhou, která bude pracovat na orbitě okolo planety. Sonda byla tou nejrychlejší, kterou zatím lidstvo ve vesmíru mělo. Její rychlost dosáhla při příletu k Jupiteru, tedy před brzdícím manévrem, 71,5 km/s vůči Jupiteru a 74 km/s vůči Zemi. Sonda se tak může pustit do zkoumání Jupiterovy atmosféry i jeho nitra a také okolí a magnetosféry, jejíž intenzita je 20 000 krát větší než té pozemské. Jde o první zařízení, které letí k této obří planetě a využívá k zásobování elektřinou i v této extrémní vzdálenosti od Slunce, fotovoltaické panely. Sonda by měla téměř dva roky studovat atmosféru Jupitera, jeho magnetosféru a rozsáhlý systém jeho měsíců a prstenců.

Sonda Juno (JUpiter Near-polar Orbiter) se na cestu vypravila 5. srpna 2011 a začala zkoumat okolí Jupitera v červenci 2016. Prozatím všechny sondy v těchto vzdálených oblastech Sluneční soustavy využívaly radioizotopové zdroje elektřiny. Podrobněji o těchto i dalších jaderných zdrojích energie pro vesmír pojednávají články zde a zde. Sluneční panely se nevyužívaly, protože intenzita slunečního záření klesá s mocninou vzdálenosti od Slunce a tedy poměrně velice rychle. Záření ze Slunce představuje u Země výkon 1368 W/m2. Jupiterova vzdálenost od Slunce je přibližně 5,2 krát větší. Hodnota výkonu u Jupitera je tedy přibližně 50 W/m2.

Pokrok ve vývoji lehkých slunečních panelů s vysokou účinností umožnil využít fotovoltaiku i pro sondu k Jupiteru. Je to důležité i z toho důvodu, že v současné době jsme ztratili možnost radioizotopové zdroje používané pro tyto účely vyrobit (podrobněji zde a zde). V případě využití Slunce jsou pro potřebný výkon nutné tři panely slunečních baterií s celkovou plochou přes 60 m2. U Země dodávaly 14 000 W a u Jupitera to bude 420 W, což je zhruba o 100 W méně, než dodávaly dva radioizotopové zdroje sondy Galileo. Je však třeba zmínit, že část poklesu je v tomto případě způsobena radiačním poškozením panelů. Kdyby k němu nedocházelo, byl by výkon slunečních panelů u Jupitera přes 480 W.

Lze očekávat, že o sondě Juno a jejich výsledcích výzkumu Jupitera se bude v následujícím období psát často i na Oslovi. Využijme tak příležitosti jejího příletu k Jupiteru k připomenutí funkce, historie využití a budoucího potenciálu nejen pro kosmický výzkum.

Závislost energie slunečního záření dopadajícího na jeden m2 za sekundu na vzdálenosti sondy od Slunce (1 astronomická jednotka AU je dána vzdáleností Země od Slunce – okolo 150 milionů km). Velikost této energie klesá s kvadrátem vzdálenosti.

Závislost energie slunečního záření dopadajícího na jeden m2 za sekundu na vzdálenosti sondy od Slunce (1 astronomická jednotka AU je dána vzdáleností Země od Slunce – okolo 150 milionů km). Velikost této energie klesá s kvadrátem vzdálenosti.
Zdroj: Autor

Princip fungování fotovoltaických článků
Sluneční panely se jako zdroj elektřiny na vesmírných družicích a sondách využívají dominantně. Jsou složeny z fotovoltaických článků. U nich se využívá světlo k produkci volných elektronů jako nosičů náboje. Při fotoelektrickém jevu foton předá veškerou svou energii elektronu a dochází k jeho emisi z atomového obalu nebo z vodivostního pásu kovu. Dochází tak k produkci elektronů, případně párů elektronu a iontu. První pozorování vnějšího fotoelektrického jevu, při kterém se elektrony emitují mimo ozařovaný materiál, se povedl Alexandru Edmondu Becquerelovi. Ten v roce 1839 prezentoval změnu proudu mezi kovovými elektrodami ponořenými v roztoku v závislosti na intenzitě osvětlení. V roce 1887 pak Heinrich Rudolf Hertz pozoroval, že elektrický výboj v plynu vznikne snadněji mezi elektrodami při ozáření plynu ultrafialovým zářením. Vysvětlení tohoto jevu, které ukázalo, že i pohlcování elektromagnetického záření probíhá v kvantech, se podařilo Albertu Ensteinovi. Ten za ně dostal Nobelovu cenu.

Jeden z prvních fotovoltaických panelů firmy Bell na počátku padesátých let.

Jeden z prvních fotovoltaických panelů firmy Bell na počátku padesátých let.

Pro konstrukci fotovoltaického článku se využívají polovodiče a fotovoltaický jev, který je jednou z forem vnitřního fotoelektrického jevu. Foton s malou energií a tím i vlnovou délkou odpovídající viditelnému světlu se využije k tomu, aby se elektron přesunul z valenčního do vodivostního pásu. Dochází tak k produkci díry a elektronu, tedy volných nosičů náboje. Ty se pohybují k příslušným elektrodám. Pomoci polovodičové P-N diody pak můžeme vytvořit fotovoltaický článek. Fotony světla generují zmíněné volné nosiče náboje a vzniká elektrický proud. Zmiňme ještě, že fotovoltaický jev poprvé pozorovali William Grylls Adams a jeho žák Richard Evans Day v roce 1876 na P-N přechodu vytvořeném mezi selenem a platinou.

Základním polovodičem využívaným pro konstrukci fotovoltaických článků se stal křemík. Polovodičová dioda je vytvořena s využitím tenké křemíkové destičky s vodivostí typu P (kladná, děrová vodivost). Na ní se vytvoří tenká vrstva s vodivostí typu N (záporná, elektronová vodivost). Obě vrstvy jsou pak odděleny P-N přechodem. Dalším možným polovodičovým materiálem je arsenid gallitý GaAs. V obou případech se podařilo v polovině padesátých let dosáhnout účinnosti konverze světelné energie na elektrickou okolo 5 %. Sluneční články jsou namontovány na strukturu, která se označuje jako fotovoltaický modul a z modulů je pak sestaven panel.

Vanguard 1 byl první družicí s fotovoltaickými články, v té době jako test (zdroj NASA)

Vanguard 1 byl první družicí s fotovoltaickými články, v té době jako test (zdroj NASA)

Historie využívání solárních panelů
První prakticky použitelné fotovoltaické články založené na křemíku byly vyvinuty v Bellových laboratořích v roce 1954 a veřejnosti byly poprvé prezentovány 25. dubna 1954. S dalším klíčovým pokrokem je spojen Leslie Hoffman. Pod jeho vedením se podařilo mezi léty 1957 až 1960 zvýšit účinnost fotovoltaického článku z 5 až na 14 %. To umožnilo články Leslie Hoffmana použit i ve vesmíru. Poprvé tomu bylo velice brzo, a to v roce 1958 u družice Vangaurd. V tomto případě byl fotovoltaický článek alternativní variantou k hlavní chemické baterii. Už v roce 1959 se u družice Explorer 6 objevily klasické postranní velké panely, které se staly typickými atributy družic a kosmických sond. Celkově se na ně využilo 9600 článků Leslieho Hoffmana. Družice Telstar v roce 1962 zahájila éru využívání solárních panelů u telekomunikačních družic, jejich výkon byl 14 W. Už po objevu van Allenových radiačních pásů okolo Země družicí Explorer 1 se ukázala důležitost radiační odolnosti solárních panelů a vlivu radiační degradace na jejich životnost.

U vesmírných sond se sluneční baterie staly velmi rychle hlavním zdrojem elektřiny. Důvodem bylo, že u vesmírných projektů nebyla cena klíčová. Nejdůležitější byla co nejnižší hmotnost zařízení a možnost využití slunečního světla, které je ve Sluneční soustavě většinou k dispozici.
V šedesátých letech byla snaha vyzkoušet i další materiály. Z hlediska nízké hmotnosti se uvažovaly velmi tenké články s více přechody ze sulfidu kademnatého CdS na disulfidu měďnatém CuS2. Tato zařízení však rychle degradovala. Účinnosti okolo 7 % se podařilo dosáhnout i u článku z telluridu kademnatého CdTe. Ovšem nejlepších parametrů, hlavně účinnosti a odolnosti, se dosáhlo u zmíněných křemíkových článků. A ty se ve vesmíru začaly dominantně využívat.

Explorer 6 byl první sondou s typickými panely solárních baterií (zdroj NASA).

Explorer 6 byl první sondou s typickými panely solárních baterií (zdroj NASA).

V sedmdesátých letech se intenzivně vylepšovaly vlastnosti křemíkových článků pro efektivnější odezvu v modré oblasti spektra a zvýšení výstupního proudu. Dále se podařilo zjednodušit, zautomatizovat a tím i zlevnit jejich výrobu. V osmdesátých letech se alespoň v laboratořích začaly účinnosti článků blížit teoretickým limitům, které ještě podrobněji rozebereme.

V devadesátých letech se u kosmických slunečních článků přešlo částečně od křemíkových ke galium arsenidovým. Křemíkové sluneční články jsou levnější a dlouhodobě prověřené, články založené na GaAs mají vyšší účinnost a dosahují lepší poměr mezi výkonem a hmotností. Využití článků s více přechody umožňuje efektivnější využití celého spektra slunečního záření. Pracuje se také na zvýšení jejich radiační odolnosti, což je důležité právě pro možnost využívat solární panely u Jupitera s jeho intenzivními radiačními pásy.

Nejdůležitějším parametrem pro kosmické solární panely je kvůli vysoké ceně za dopravu na oběžnou dráhu výkon na kg hmotnosti. Ten roste s velikostí panelu, i když se postupně růst zpomaluje. V grafu je současná situace pro křemíkové a galium arsenidové články. BOL je situace na začátku životnost a EOL pak na jeho konci. (Zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

Nejdůležitějším parametrem pro kosmické solární panely je kvůli vysoké ceně za dopravu na oběžnou dráhu výkon na kg hmotnosti. Ten roste s velikostí panelu, i když se postupně růst zpomaluje. V grafu je současná situace pro křemíkové a galium arsenidové články. BOL je situace na začátku životnost a EOL pak na jeho konci. (Zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

Využití fotovoltaiky pro výrobu elektřiny v pozemských podmínkách
Na přelomu tisíciletí došlo také ke zlomu ve využívání fotovoltaiky v pozemské praxi. Efektivita samotných článků i jejich výroby vedla k tomu, že jejich cena a také cena elektřiny z nich vyrobené klesla natolik, že se postupně začala stále více otevírat možnost využívání fotovoltaických panelů pro produkci elektrické energie pro domácnosti. Jestliže ještě v roce 1977 byla cena křemíkových článků přes 70 dolarů na watt výkonu, v roce 1987 už byla na hodnotě 10 dolarů na watt, v roce 2005 se blížila 5 dolarům za watt a pak začala prudce padat, takže okolo roku 2015 se blížila k 0,3 dolaru na watt. Prudký pokles cen byl způsoben nejen pokrokem výrobních technologií, ale hlavně rozjezdem hromadné výroby a stále rychlejším zvyšováním množství vyrobených článků. Dalším faktorem byl přesun velké části produkce do Číny.

Solární park Auga Caliete s výkonem 290 MW patří k těm největším (zdroj Center for Land Use Interpretation, 2014)

Solární park Auga Caliete s výkonem 290 MW patří k těm největším (zdroj Center for Land Use Interpretation, 2014)

V tomto století tak začaly v celém světě intenzivně růst výkony i produkce fotovoltaických elektráren. Před rokem 2004 nebyl celkový výkon fotovoltaických elektráren ve světě ani 1 GW. Na konci roku 2014 už byl celkový výkon fotovoltaických elektráren 177 GW a roční výroba překročila 200 TWh, což reprezentovalo podíl na světové produkci elektřiny okolo 1 %. Hlavně decentralizovaná výroba je ve vhodných podnebných a místních podmínkách plně konkurenceschopná s jinými zdroji elektřiny. A v následujících letech lze očekávat další intenzivní rozvoj.

Sonda Deep Space 1 poprvé použila fotovoltaické články s koncentrátorem (zdroj NASA).

Sonda Deep Space 1 poprvé použila fotovoltaické články s koncentrátorem (zdroj NASA).

Na rozdíl od vesmírných aplikací není u pozemních tak důležitá účinnost a nízká hmotnost, podstatnější je nízká cena. To je důvodem, proč se často využívá polykrystalický křemík. Rychlý rozvoj hromadné výroby a široké uplatnění fotovoltaické produkce elektřiny zlevnily i panely pro vesmír a také zintenzivnily vývoj nových materiálů a hledání možností, jak zlepšit parametry fotovoltaických panelů.

Hledání cest k co nejlepší účinnosti a dalším vlastnostem
Cest ke zlepšování vlastností fotovoltaických článků existuje několik. Světlo vyzařované Sluncem má spektrum odpovídající záření absolutně černého tělesa s teplotou 5700 K a jak už bylo zmíněno, celkový výkon záření dopadajícího na jednotku plochy ve vzdálenosti Země je ve vakuu téměř 1368 W/m2. Účinnost fotovoltaického článku je dána tím, jakou část spektra dokáže využít a jak efektivně. Zároveň část energie fotonu, která překračuje hodnotu potřebnou pro produkci elektron děrového páru, se přemění na teplo. Toto teplo už nelze využít pro produkci elektřiny, pokud se nevyužijí speciální technologie převodu tepla na světlo vhodné vlnové délky.

Typickou dominantou komunikačních sond jsou panely slunečních baterií. Satelit Intelstat 23 (zdroj Orbital Sciences).

Typickou dominantou komunikačních sond jsou panely slunečních baterií. Satelit Intelstat 23 (zdroj Orbital Sciences).

Systém koncentrátorů SCARLET u sondy Deep Space 1 (zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

Systém koncentrátorů SCARLET u sondy Deep Space 1 (zdroj Sheila Bailey and Ryne Raffaelle: kapitola Space Solar Cells and Arrays v knize vydané nakladatelstvím John Wiley & Sons)

Již v šedesátých letech se publikovaly odhady limitní účinnosti (tzv. Shockleyův-Queisserův limit) pro křemíkové fotovoltaické články s jedním přechodem okolo 33 %. K vyšším účinnostem se lze dostat využitím dalších materiálů a články s více přechody kombinované z různých materiálů, které rozšíří rozsah využívaného spektra. Tak se lze dostat k hodnotám okolo 60 %. Dalším krokem ke zvýšení účinnosti je koncentrace zrcadly a čočkami. Sluneční světlo se tak sbírá z větší plochy a dopadá na fotovolatický článek menšího rozměru. Zlepšuje se tak poměr mezi dosaženým výkonem a plochou polovodiče. Koncentrace je taková, že poměr mezi plochou, ze které se sbírá sluneční záření, a plochou fotovoltaického článku může být dokonce 500 až 1000. V tomto případě se limitní účinnost dostává přes 60 %. Další možností, jak zvýšit účinnost, je využití termofotovoltaických článků, ve kterých je fotovoltaický článek spojen s materiálem, který dokáže odpadní teplo přeměňovat na záření se správnou vlnovou délkou pro daný fotovoltaický článek. Tímto materiálem jsou nanofotonické krystaly, které po zahřátí emitují světlo s danou vlnovou délkou. Využije se tak i zmiňované odpadní teplo.

Účinnost pro různé typy fotovoltaických článků jak se je postupně daří docílit v laboratořích, absolutní maximum je nyní 46 % (zdroj Wikipedie).

Účinnost pro různé typy fotovoltaických článků jak se je postupně daří docílit v laboratořích, absolutní maximum je nyní 46 % (zdroj Wikipedie).

Nejlepší křemíkové sluneční články mají v současné době účinnost mezi 20 až 25 %. Na vesmírných sondách se v případě nutnosti dosažení vysokého výkonu a potřebě nízké hmotnosti slunečních panelů využívají převážně sluneční články založené na základě galium arsenidu, který má vyšší účinnost než krystalický křemík. Dosahuje se až okolo 35 %. Nejvyšší účinnost má článek s více přechody kombinující galium arsenid s křemíkem, který umožňuje využívat nejširší oblast spektra. U nich se v laboratoři dosahuje účinnost blížící se 40 % a s koncentrátorem i přes 40 %. V posledních letech se také vyvíjejí články na bázi organometalických materiálů s perovskitovou krystalickou strukturou. V roce 2009 měly účinnost jen okolo 4 % a nyní už dosahují okolo 20 % a je zde vysoký potenciál dalšího růstu.

Koncentrátory se poprvé ve vesmíru objevily u sondy Deep Space 1, která testovala nové technologie. Mezi nimi byl i koncentrátor SCARLET (Solar Concentrator Arrays with Refractive Linear Element Technology). První použití koncentrátoru bylo úspěšné. Velikost koncentrace byla 7,5. U každého ze dvou panelů bylo využito 720 Fresnelových čoček, které koncentrují světlo na 3600 fotovoltaických článků. Využívaly se GaInP/GaAs DJ články, zkratka DJ (Double Junction) znamená, že se využily dva přechody. Dva panely dokázaly celkově dodat výkon 2 500 W. Sluneční baterie v tomto případě zásobovaly elektřinou iontové motory.

Konečná konfigurace stanice ISS (zdroj NASA).

Konečná konfigurace stanice ISS (zdroj NASA).

Kromě účinnosti je největší výzvou u slunečních panelů pro vesmírné aplikace zvýšení radiační odolnosti a zpomalení procesu degradace a snižování výkonu. To je u současných panelů v „normálních“ podmínkách na orbitě okolo Země zhruba o 30 % za deset let. Závisí na použitém materiálu a technologii výroby. Ve většině případů však je pokles zpočátku rychlejší a postupně se zpomaluje.

U sond, které se dostávají do blízkosti Slunce, jako byl například Messenger zkoumající Merkura, se musí řešit jiný problém. Účinnost je totiž silně závislá na teplotě a třeba u sondy Messenger bylo důležité udržet je pod teplotou 130˚C. Velmi vysoká intenzita slunečního záření je tak spíše na škodu.

Solární panely vesmírné stanice ISS (zdroj kosmonautka Samantha Cristforetti, NASA).

Solární panely vesmírné stanice ISS (zdroj kosmonautka Samantha Cristforetti, NASA).

Příklady kosmických aplikací
Podívejme se ještě na některá další zajímavá vesmírná zařízení využívající solární panely. Jedním z velkých zlomů byla laboratoř Skylab v roce 1973. V té době se jednalo o vesmírný objekt s největší plochou solárních baterií. Byly zde dva systémy založené na křemíkových článcích. První měl dvě solární plochy, každou s 73 920 fotovoltaickými články, které měly dodávat celkový výkon okolo 6 kW. Jedna z nich však byla zničena při startu. Druhý se skládal ze čtyř ploch, které měly dohromady 164 160 fotovoltaických článků dvou rozměrů, které dohromady dodávaly zhruba 10 kW.

Marsovské vozítko s vyklopenými panely (zdroj NASA).

Marsovské vozítko s vyklopenými panely (zdroj NASA).

Největší plochu i výkon solárních panelů má v současné době vesmírná stanice ISS. Fotovoltaické panely mají rozpětí 73 m a na celkové ploše 2 500 m2 je 262 400 solárních článků. Dodávají celkový výkon mezi 84 až 120 kW. Rosseta byla před sondou Juno nejvzdálenější zařízení využívající sluneční panely. Jejich plocha byla 61,5 m2. Jednalo se křemíkové Hi-ETA články a u Země dokázaly poskytnout elektrický výkon 7,1 kW.

Sluneční panely používaly také vozítka Opportunity a Spirit na Marsu. V jejich případě se bylo potřeba vypořádat s tím, že krátkovlnná část slunečního spektra je intenzivně pohlcována marsovskou atmosférou. Dále je třeba počítat s prachem hlavně v době prachových bouří. To je důvod, proč tato vozítka měla pro zajištění tepelné pohody hlavně v období marsovské zimy radionuklidové zdroje. Vozítka měla solární panely s pokročilými fotovoltaickými články se třemi přechody, které dokázaly dodávat 140 W po dobu zhruba čtyř hodin marsovského dne.

Testování a příprava fotovoltaických panelů sondy Juno (zdroj NASA).

Testování a příprava fotovoltaických panelů sondy Juno (zdroj NASA).

Sonda Juno
Zatím nejdále od Slunce se dostala sonda Juno. Aby u Země dodala potřebný výkon, je celková plocha baterií přes 60 m2, na které je více než 18 000 fotovoltaických článků, které u Země dodávaly výkon 14 000 W. Reálná účinnost tak je okolo 17 %. Použité solární články se třemi přechody jsou účinnější a mají hlavně větší odolnost proti radiační zátěži než klasické křemíkové. I tak však se sonda musí vyhnout radiačním pásům Jupitera a silné radiaci v nich. Zároveň musí být zajištěno, aby byla stále vystavena slunečním paprskům. To určovalo výběr oběžné dráhy kolem Jupitera.

Start rakety Atlas V se sondou Juno (zdroj NASA).

Start rakety Atlas V se sondou Juno (zdroj NASA).

Zhruba polovina potřebného výkonu 420 W je využívána k ohřevu sondy a druhá polovina stačí na provoz všech přístrojů. Když si uvědomíme, že tento výkon nestačí k provozu většiny našich domácích spotřebičů, je vidět, jak efektivní musí být všechno přístrojové vybavení sondy. Jen díky velmi úsporné elektronice je vůbec možné, aby sonda Juno dokázala fungovat pouze se solárními panely.

Právě kvůli problémům s výrobou plutonia 238 a radioizotopových generátorů studuje NASA možnosti, jak umožnit činnost sond se solárními panely až k Saturnu (dvojnásobná vzdálenost od Slunce než Jupiter) a Uranu (čtyřnásobná). Intenzita slunečního svitu by u těchto planet byla čtyřnásobně a šestnáctinásobně menší než u Jupitera. Taková možnost není sice vyloučena, ale byla by obrovskou výzvou. Bylo by potřeba zvýšit účinnost článků a snížit jejich hmotnost. Výkon na jednotku hmotnosti panelu by bylo třeba zvýšit do oblasti okolo 500 W/kg a využít nepokročilejší články s mnoha přechody a koncentrátory. Pokrok, který je pozorovatelný však ukazuje, že je tato výzva řešitelná.

Jeden z prvních snímků Jupitera a jeho měsíců pořízených sondou Juno 28. června ze vzdálenosti 6,2 milionů kilometrů (zdroj NASA).

Jeden z prvních snímků Jupitera a jeho měsíců pořízených sondou Juno 28. června ze vzdálenosti 6,2 milionů kilometrů (zdroj NASA).

Článek vyšel na osel.cz.

Zdroje obrázků:
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/1dthzjdzhj.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/2sthsdasergaer.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/3apogee-v3_1.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/4ftukftukf.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/5explorer.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/6nejdule-it-j.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/7sol-rn.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/8sonda.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/10typic.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/10sysem.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/11-innost.png
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/12kone-n.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/13sol-rn.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/14ma.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/15testovani.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/16start.jpeg
http://www.osel.cz/_clanky_popisky/17jeden.jpeg

Sonda Juno napájená solárními panely u Jupiteru, 2.4 out of 5 based on 35 ratings
Pin It
(Visited 2 353 times, 1 visits today)
Nahlásit chybu

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.4/5 (35 votes cast)
(Visited 2 353 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


32 komentářů ke článku “Sonda Juno napájená solárními panely u Jupiteru”

  1. Rudolf Šíma napsal:

    Vy mne chcete zabít, takhle dlouhý článek a ještě s odkazy. 🙂 Protože Vaše články sleduji na Oslu a nabyté vědomosti hojně využívám v hospodských debatách s „ekoteroristy“, určitě se ráno ke čtení vrátím, ale teď už v polovině tuhnu. 🙂 Díky.

  2. kolemjdoucí napsal:

    Možná trochu opomenuta zůstala cenová otázka výroby Plutonia 238, která není zanedbatelná (jde opravdu o docela náročnou výrobu, a ještě náročnější zpracování).

    GaAs – je sice asi správněji arsenid gallitý, ale běžněji se uvádí arzenid (nebo arsenid) gallia

    PS: Polovodičové komponenty na bázi GaAs by měly být radiačně odolnější než na běžné křemíkové bázi.

  3. ventYl napsal:

    Ked som tento clanok cital na oslovi, tak som si hovoril, ze by to bol clanok, ktory by sa tematicky aj hlbkou na tuto stranku hodil. A helemese, nebol som jediny s tym napadom.

    Suhlasim, ze vase clanky sa nie vzdy citaju najjednoduchsie, ale to bude skor tym, aka je v nich informacna hustota.

  4. q napsal:

    Díky,
    vynikající přehled – mnohé mi objasnil.
    q.

  5. Jaroslav Alois napsal:

    Pěkný článek, pouze na snímku Vanguardu není č.1, ale č. 2, které fotovoltaiku vůbec nemělo.

  6. Jaroslav Alois napsal:

    Ještě bych namítl, že v projektu Vnguard nebyly sluneční články alternativou chemické baterie nýbrž řešením napájení technologických satelitů o váze pouhých 1,5 kg, kde se chemická baterie nevešla do váhového limitu. Vlastní satelity Vanguard o váze od 10 do 22 kg měly výhradně chemické baterie. Vanguard 2 měl sice fotočlánek, ale ten sloužil ke snímkování země, vod a mraků čímž se tento satelit stal praotcem meteo družic.

    • gg napsal:

      Podle tzv. cube-square law by solární články, obzvláště namontované na těle satelitu, měly být použitelnější právě pro malé satelity.

  7. gg napsal:

    Taková věc, která se moc nezmiňuje a přitom by mohla být pro budoucí solárně napájené sondy k Jupiteru i dál zajímavá, je případná možnost použít „naddimenzovaný“ výkon solárních panelů v blízkosti 1 AU k pohonu sondy nějakým výkonným elektrickým motorem. Tím by se dala výrazně navýšit hmotnost vržená k Jupiteru, tedy s tím, že třeba třetí nebo čtvrtý stupeň na tuhé pohonné hmoty se stejným efektem by byl několikrát těžší (a tudíž by potřeboval vypustit na větší raketě). Ovšem je pravda, že budoucí dostupnost BFR (všichni doufám doufáme? :D) by tuhle relativní výhodu snížila, protože by stačilo prostě použít větší raketu (která by i tak nejspíš stála méně než současné menší, i po započtení větší hmotnosti sondy).

    Koncentrátory jsou vůbec zajímavé téma, protože dokážeme vyrábět velmi lehké zrcadlové plochy, např. metalizované fólie. Ty mají na rozdíl od RTG výrazně větší poměr výkon/hmotnost, zcela určitě v blízkosti 1 AU, ale nejspíše i u Jupitera. Myslím, že v blízkosti 1 AU se můžeme dostat snad až někam k 300 kW/kg. I u Jupitera by to bylo pořád ještě hodně – Pu238 generuje jen 0,5 kW/kg, a přitom ještě s nižší účinností. Problémem je pak ale omezení na orientaci sondy, případně nutnost pohyblivého zavěšení solárního subsystému na sondě, aby se mohla orientovat nezávisle na něm.

  8. Rudolf Šíma napsal:

    Pro zajímavost si dovolím odkaz na rozhovor s nejcitovanějším vědcem českého původu, zabývajícím se též fotochemií. http://www.ceskatelevize.cz/porady/10441294653-hyde-park-civilizace/215411058090530/

  9. fx napsal:

    Nebolo by mozne pre sondy, ktore su urcene na prieskum planet typu Jupiter alebo Saturn, vyuzit elektromagneticku indukciu pre ich napajanie na orbite? Mam za to, ze magneticke pole je tam znacne, obycajnej cievke by asi radiacia neublizila, naklady by boli asi nizsie nez solarne ci ine napajanie…

    • ventYl napsal:

      o takom druhu pohonu (aj ked primarne ma byt realizovany naopak) sa uvazuje. problem je v tom, ze anteny realizujuce taky pohon by museli mat radovo jednotky km.

      • kolemjdoucí napsal:

        Taková technologie se již ověřovala u Země – dvě menší družice spojené kabelem, ale po krátkém čase došlo k porušení onoho spojovacího kabelu (patrně zásah mikrometeoritem, a následný zkrat dokonal své).
        Nerealizovatelné to tedy není, ale problémy jsou s hmotností a odolností (možná s využitím nějaké jiné konstrukce a odolnějších materiálů).

  10. Tomáš Vodička napsal:

    Díky za parádní článek, spousta zajímavých informací.
    Jen jsem si všimnul drobné chybky: v odstavci „Sonda Juno“ se píše „Aby u Země dodala potřebný výkon, je celková plocha baterií je přes 60 m2“
    Mám zato, že tam má být „Aby u Jupitera…“ A ve větě taky přebývá jedno „je“.

  11. Jaroslav Alois napsal:

    Ještě k odstavci “ historie“. Shodou okolností obě kosmické velmoci stavěli družici, která měla být první v historii na LEO. Američané technologický Vanguard 1 a Sověti sputnik 3. Obě tělesa byla vybavena slunečními články. Americká jako hlavní zdroj proudu a sovětská jako zdroj pro polohový vysilač Maják. Ve WIKI je mylně uvedeno, že celý Sputnik 3 byl napájen slunečními články. Není to pravda, hlavním zdrojem proudu byly chemické baterie a po jejich vyčerpání družice přestala pracovat s výjimkou polohového vysílače napájeného slunečními články, ty byla jen dva, jeden na dně a jeden na boku družice.
    Vanguard 1 byl vypuštěn v březnu 1958 jako druhá družice USA a Sputnik 3 v květnu 1958 jako třetí družice SSSR.
    Sluneční články byly stěžejní pro meziplanetární sondy které vyžadovaly životnost několik měsíců, což chemické baterie nemohly zajistit. První takovou sondou byl americký Pioneer 5 v březnu 1960.

  12. dolph1888 napsal:

    Sluneční panely a jejich výroba také není levná záležitost, masivně využívající fosilních zdrojů dneška (chemická zátěž, jedy). Takže s ekologií nemají společného nic. Pro družice a sondy u Země, Slunci blízkých planet proč ne, ale pro výzkum daleko od Slunce, stejně tak pro pohon budoucích výkonných magnetoplazmových / iontových motorů jsou výkonem nevhodné. Dokonce i RTG není dostatečný zdroj, nutné budou (ať se to někomu líbí nebo ne) jaderné reaktory. Rizika spojená s jejich vynášením do vesmíru lze zvládnout, 100% bezpečné není v lidském konání nic a nebude. Více lidí zemře při výrobě panelů a další elektroniky v Číně (tam ekologii neznají) než při nehodně rakety s jedním na cestu zajištěným reaktorem. Když se strachu nezbavíme, tak nikam pořádně létat nebudeme, nedávná návštěva Pluta by nebyla možná, s jakýmikoliv panely. Nesmysl.

    • Rudolf Šíma napsal:

      Jsem odpůrcem dotované výroby el. energie solárními panely na polích a střechách. S Vašimi argumenty v zásadě souhlasím, nepochopil jsem ale, co jste na konci příspěvku nazval nesmyslem.

      • dolph1888 napsal:

        Sondy do vzdálených míst se solárními panely. Myšlena má reakce byla tak, jak jsou všichni „potento“ i z RTG, že ani nové palivo se zatím nevyrábí. Jako kdyby na světě neexistovaly nebezpečnější věci. Pokrytectví neuznávám.

    • gg napsal:

      „Sluneční panely a jejich výroba také není levná záležitost, masivně využívající fosilních zdrojů dneška (chemická zátěž, jedy).“

      Vzhledem k tomu, že většinu energie potřebné k výrobě solárních panelů je nutné dodat v podobě elektřiny (tzv. Siemensův proces), není vůbec zřejmé, že jakékoli fosilní zdroje jsou zapotřebí.

      • Rudolf Šíma napsal:

        Realita ale nepochybně taková je. Čínské uhelné elektrárny pořád válcují ty jaderné s hydroelektrárnou Tři soutěsky dohromady.

      • gg napsal:

        Vzhledem k současnému exponenciálnímu nárůstu nasazení fotovoltaiky je současná situace irelevantní pro většinu budoucí fotovoltaické kapacity. I současná výroba bude jen zlomkem kapacity nainstalované třeba v roce 2040. Tedy ve váženém průměru ekologičnosti výroby bude produkce z roku 2040 mít mnohem větší váhu.

        • Rudolf Šíma napsal:

          Nestrašte! 🙂 Už na dnes instalovanou kapacitu „dohodíme“ všichni (někteří se podílejí více, já elektřinou topím) přes bilión korun během dvaceti let. Kolik je to Temelínů? Nelze se tomu vyhnout, je nainvestováno a peníze jsou v Číně. Jaká je životnost panelů? Kolik bude stát jejich likvidace? Pokud chcete použít argument, že draze zaplacený rozjezd zlevní pozdější výrobu, proč nejdeme cestou financování výzkumu?
          Pokud se najdou levné způsoby výroby panelů, nevěřím, že je nebylo možno nalézt v laboratořích za podstatně nížších nákladů, i těch ekologických.

        • gg napsal:

          Já nestraším, VY strašíte. Co má ten váš „bilión korun“ společného s fotovoltaikou? To je čistá politika, NE technika. Ba co víc, je to politika dvou let jedné desetimiliónové zemičky, a my se tu bavíme horizontu třiceti let a celého světa, nemůžete na to přeci extrapolovat jednu hloupou českou vládu.

          Ale je to pěkná ilustrace: protože ceny zařízení klesají podobným způsobem, jakým instalace stoupají, když se podíváte třeba do toho roku 2040, budou jakékoli subvence do roku 2015 včetně, na jednotku vyrobené energie postupně klesající, zcela rozpuštěny v celkovém objemu výroby do roku 2040 včetně. A to už proto, že v roce 2040 už bude nejmladší postavený FV systém ještě s nějakou formou subvencí ve většině světa mít alespoň patnáct let provozu za sebou.

          Ale mozek snad máte, kalkulačku taky, tak si to spočítejte sám.

          A ten výzkum…no co myslíte, že způsobilo ten pokles cen? Ale je výzkum a výzkum…tady nejde o základní výzkum, dokonce ani o aplikovaný v klasickém slova smyslu, ale spíš o „inženýrský kumšt“. Ten ale nezískáte v laboratoři, na to musíte stavět továrny. Až pak přijdete na věci, o kterých nevíte, že je ještě nevíte. Takže potřebujete peníze na postavení a provoz továren. Naštěstí se to nakonec zaplatí samo.

        • Rudolf Šíma napsal:

          No, nějaký ten mozek by se mi dal v kedlubně najít, ale kalkulačku nepotřebuji. Pochopil jsem Váš argument a na počítání mi chybějí některá data, která jsem líný zjišťovat. Dobrovolně používám fotovoltaiku jen na jachtě a v karavanu, chápu ji na kosmických sondách, v domácnosti mi byla vnucena (energie z ní). I když přistoupím na to, že v budoucnu bude energeticky zajištěn exponenciální nárůst výroby panelů jen produkcí elektřiny z panelů již vyrobených, že bude zajištěna energeticky i jejich ekologická likvidace, že „nadvýroba“ elektřiny zaplatí veškeré operace s panely a skladování energie, stejně mě bude mrzet, že jsem ten výtrysk inženýrského kumštu v Číně zaplatil zrovna já. Byl bych si raději za ušetřené peníze od Číňanů koupil něco pro mne užitečného. A co má ten bilion společného s fotovoltaikou? No, s fotoelektrickým jevem nic, ale stojí za tím exponenciálním nárůstem instalací. Možná to u nás bylo (tradičně) větší zvěrstvo než jinde, ale dotace byly poskytovány všude, kde došlo k masovému zavádění výroby elektřiny z FV. A jsou poskytovány i nadále. Ale jak píšete, naštěstí se to nakonec zaplatí samo. Tak schválně, ……. v roce 2040. 🙂

      • dolph1888 napsal:

        Bez fosilních zdrojů (vč. plynu) nemáš vykrytí sítě, dnes nelze elektřinu ukládat a mnoho energie ze solárních panelů (větráků) způsobuje spíše problémy než užitek. Kolik domů např. v České republice má i baterie pro ukládání? Kdy jejich cena prakticky 2x , 3x znásobuje cenu instalace a jejich životnost nepřesáhne 8 – 10 let. Opět, chemie, jedy, náročná recyklace článků. Jistě je odborníky doložitelné, že při výrobě něčeho tak náročného jako je solární panel, převažují fosilní zdroje (nejen v Číně, kdyby na to přišlo). A pokud nebudeme umět efektivně ukládat masivně el. energii (ještě o řád / dva účinněji než vodní přečerpávací elektrárny což jsou stovky MW), máme na výběr jaderné nebo fosilní elektrárny. To je celé. Pochop, že do sítě musíš dodávat energii stabilně, ne když je jí zrovna málo nebo hodně jako u tzv. obnovitelných zdrojů. Tzv. proto, že žádný obnovitelný zdroj neexistuje, ani slunce není obnovitelný zdroj, tím ani vítr na planetě atd. .

        • ptpc napsal:

          dolph1888:
          Presne tak. Úplne s tebou súhlasím a zároveň ti aj ďakujem za uvedenú argumentáciu. Chystal som vyjadriť podobný názor ale akosi som nestíhal.
          Ako doplnenie alebo perličku dodávam, že v snahe byť ekologický(konkrétne v Nemecku) sa zatvárajú JE. Ale aby bola sieť stabilná musia sa budovať záložné zdroje k zdrojom tzv. obnoviteľným. A kedže to nemôžu byť JE, sú to elektrárne uholné. A výroba elektriny v nich rastie priamo úmerne veľkosti inštalovaného výkonu tzv. obnoviteľných zdrojov. Výsledok celého je to, že produkcia CO2 v Nemecku každým rokom stúpa. To je tá ekológia v praxi. Ale o tom nevie skoro nikto. A to sme v súčasnosti a v Nemecku na cca 20 % el. en. z tzv. obnoviteľných zdrojov.
          Ďalšia vec je že z inštalovaného výkonu tzv. obnoviteľných zdrojov prax ukázala že je využitelných cca 30 %(konkrétne v Nemecku).
          Takže sa je mi úsmevný všetok ten humbuk okolo skleníkových plynov. Za prvé sa len tvárime že nám ide o ich znižovanie a za druhé vplyv produkcie CO2 človekom je na zmenu zemskej klímy marginálny. Doby ľadové a doby medziľadové tu boli dávno pred civilizáciou…

        • Dovolil bych si přece jen pár komentářů k německé Energiewende. Jsem k této energetické koncepci velmi kritický, takže napřed začnu s pozitivními jejími dopady (alespoň z mého pohledu).
          Německo je velmi bohatý stát a v podstatě za jeho peníze (i když nejen) se financoval obrovský rozvoj výroby obnovitelných zdrojů (hlavně fotovoltaiky a větrných turbín). Masivní výroba a přesun její velké části hlavně do Číny srazil cenu hodně nízko a umožnil využití těchto zdrojů v rozvojových zemích, kde není vybudovaná elektrická síť, podmínky pro využití těchto zdrojů v některých velmi výhodné a jejich decentralizovaná povaha je také v jejich případě velkou výhodou.
          Značný rozvoj schopnosti regulace sítě, ukázalo se, že operátoři sítí jsou schopni se vypořádat s daleko větším podílem fluktuujících na povětrnostních podmínkách závislých zdrojů.
          A teď k těm spíše negativům. V samotném Německu bylo v roce 2015 vyrobeno větrnými elektrárnami 13,3 % elektřiny a fotovoltaikou 5,7 %. Tedy tyto nejsilněji prosazované zdroje, které jsou těmi hlavními tak dohromady vyrobily pouze 19 % elektřiny. Vodní zdroje dodaly zhruba co dříve okolo 3 %. A preferované bioplynové stanice, které se krmí i českou kukuřicí pak 6,8 %. Dohromady tak nakonec v Německo dodaly OZE zhruba 30 %. Jádro dodalo pořád 14,1 %. Uhelné bloky pak 42,2 % a plynové elektrárny pak 8,8 %. Tady si dovolím poznámku. Německu se alespoň zčásti podařilo snížit produkci elektřiny z fosilních zdrojů (OZE kromě náhrady jádra částečně i nahradily fosilní zdroje). Velmi vysoký nárůst produkce z uhlí byl způsoben přechodem od drahého plynu k levnému plynu. Tím se Německo snažilo alespoň trochu kompenzovat vysokou cenu elektřiny z OZE.
          Už nyní má Německo ve fotovoltaice instalovaný výkon srovnatelný s potřebou a totéž ve větru. Každé další zvýšení instalovaného výkonu vede k tomu, že sice v době horších podmínek lze více spotřeby zajistit větší podíl z OZE, ale v době velmi výhodných povětrnostních podmínek má Německo až násobek potřebného výkonu jen v těchto OZE a buď jej musí udat u sousedů nebo tyto elektrárny vypínat. Zároveň jeho elektrárny (v budoucnu pouze fosilní) nejsou dostatečně využívány, aby se zaplatila jejich stavba pomocí ceny za elektřinu, ale musí být pořád v provozu celý potřebný výkon pro případ nevhodných povětrnostních podmínek. Efektivita systému se tak bude s dalším přírůstkem fluktuujících OZE stále zhoršovat. A navíc tyto zdroje stejně musí zajistit přes 40 % produkce elektřiny, takž emise CO2 se v elektroenergetice v Německu už moc snižovat nebudou. Nyní se dramaticky na nulu sníží produkce jádra a OZE už je teď nahradí jen velice těžko.
          Případný zlom je možný jen v případě, že se podaří dramatický pokrok v ukládání energií.
          Německé Energiewende nevyčítám důraz na OZE a jejich prosazování (i když by mohlo probíhat levněji a efektivněji), ale hlavně zákaz jádra (Německo bylo v této oblasti technologií velice daleko) a dokonce odstavení velmi kvalitních a stále ještě relativně moderních bloků, které už svoji uhlíkovou stopu vytvořily a jejich předčasnou likvidací se zbytečně zmaří značné prostředky.
          Vše bylo dominantně způsobeno intenzivní kampaní Greenpeace, která má také značný negativní vliv i na využití jaderných technologií v kosmonautice. Zde se těžko obejdeme bez radionuklidových zdrojů a v případě potřeby velkých výkonů (pro cestu a pobyt na Marsu či lunární základny) to těžko půjde bez jaderných reaktorů.

        • Ještě poznámečka k výrobě fotovoltaiky. Relativně nízká cena fotovoltaiky je dána zvláště v Číně tím, že elektřina potřebná k její výrobě je v dominantní míře produkována fosilními a dalšími zdroji jinými než samotná fotovoltaika. I kdyby bylo možné (což není) postavit energetický systém produkující fotovoltaiku na elektřině z fotovoltaiky, její cena a efektivita výroby by násobně stoupla.

  13. Moc děkuji za všechny příspěvky do diskuze, upozornění na chyby a doporučení i náměty. Hlavně pak Jaroslavu Aloisovi za historická upozornění. Snažím se dokončit knížku o jaderných a částicových zdrojích energie a jejich možnostech využití pro mezihvězdné lety. Pochopitelně je v ní potřeba se dotknout i témat, která nejsou spojená pouze s jadernou a částicovou fyzikou a technologiemi. A v nich se necítím tak pevný v kramflecích (i když ani v té jaderné a částicové fyzice se chybám a přehlédnutím nevyhnu). Server kosmonautix je asi to nejlepší, co u nás o kosmonautice existuje a hlavně má komunitu diskutujících, kteří se vyznají, mají nápady a hlavně jsou fandové přes danou oblast. Takže lze v reakcích v diskuzi čekat kritický pohled, znalosti a nápady, třeba i ustřelené, ale určitě hodné přemýšlení. Proto jsem poprosil redakci o možnost uveřejnit pár článků nejen na Oslovi, ale i zde. Moc děkuji za tuto možnost. A ještě bych si dovolil využít tuto příležitost k poděkování redakci i celé komunitě okolo, za tento perfektní server, který s velkým potěšením sleduji. Zde se v článcích i diskuzích naplňuje přesně to, co by měl internet dělat, tedy společnou činností si pomáháme rozšiřovat naše znalosti.

Zanechte komentář