ESA

Bem-vindo ao espaço de Júpiter: de um lado aparece a vasta face nublada do maior planeta do nosso Sistema Solar; na outra aparece um Sol encolhido, como um holofote no céu, com apenas 3% da iluminação da órbita da Terra chegando aqui. Este fato básico apresentou um grande desafio para aqueles que planejam a missão Juice, do Jupiter Icy Moons Explorer, da ESA: como fazer a energia solar funcionar em um ambiente tão sombrio, localizado a uma média de 778 milhões de km de distância de nossa estrela-mãe?

Era possível em teoria. Na década anterior, a missão Rosetta movida a energia solar da ESA havia se aventurado até a distância da órbita de Júpiter em sua missão de encontro com um cometa – mas teve que entrar em hibernação quase total ao longo de 31 meses para economizar energia escassa.

“Essa era a preocupação – estávamos indo para um lugar distante e escuro”, observa Christian Erd, gerente da espaçonave Juice. "Uma das primeiras atividades de desenvolvimento de tecnologia levantadas para a missão foi desenvolver células solares que definitivamente poderiam funcionar em torno de Júpiter. A boa notícia é que a tecnologia avançou muito desde os dias de Rosetta."

Células solares de última geração

O engenheiro de células solares Carsten Baur foi encarregado de encontrar uma solução: "A Rosetta voou em uma época em que as células solares de silício ainda eram o estado da arte. Desde então, as células solares padrão usadas para missões espaciais mudaram para arsenieto de gálio mais eficiente unidades baseadas em três células, usando um design de célula de junção tripla - o que significa que três camadas de células são colocadas umas sobre as outras, cada uma gerando energia a partir de diferentes comprimentos de onda da luz solar."

O resultado é que, enquanto as células solares da Rosetta atingiram cerca de 20% de eficiência, as mais recentes células GaAs de junção tripla atingem cerca de 30%. Mas não se tratava simplesmente de transplantar células solares de uma missão genérica para Juice. Eles precisavam ser testados especificamente para desempenho nas condições de 'baixa intensidade, baixa temperatura' - ou LILT - prevalecentes em torno de Júpiter, onde a temperatura dos painéis solares de Juice quando a espaçonave sai do eclipse pode cair para apenas 30 graus C abaixo do absoluto zero.

"Mude o ambiente e as mudanças de comportamento também", acrescenta Carsten. "Então tivemos que adaptar nossas configurações de teste para pouca luz e frio. Começamos com a versão mais recente da célula solar européia, a 3G30 da Azur Space na Alemanha, que tem desempenho muito melhor em temperatura ambiente do que sua antecessora 3G28. Mas o o mesmo não acontecia em temperaturas mais baixas - eles tinham defeitos específicos ativados termicamente que significavam que tínhamos que mudar para o 3G28."

E uma vez que o tipo foi selecionado, os lotes de células individuais ainda precisavam de um exame minucioso.

Teste de desempenho

"A energia que recebemos na Terra é de cerca de 1360 watts por metro quadrado", explica Carsten. "Em Júpiter é mais como 50 watts por metro quadrado, como ir para dentro. Ainda não é nada, mas não é condições padrão para operar células solares. Qualquer falha no semicondutor que compõe a célula solar levará imediatamente a uma queda na desempenho."

Nenhum semicondutor é puro e pequenas imperfeições de 'caminho de derivação' podem drenar parte da corrente gerada pela luz solar. Os engenheiros de células solares podem detectar esses caminhos de derivação medindo a chamada 'corrente escura'.

"Se você tiver 2 miliamperes de perda em 500 miliamperes de corrente de uma constante solar na órbita da Terra, isso não é um problema. Mas se você estiver abaixo de 16 miliamperes em Júpiter, então 2 miliamperes seria uma perda significativa, especialmente agrupe as células juntas em uma string, então a corrente de célula mais baixa dominará as saídas de corrente da string."

A corrente negra dos lotes de células foi medida sistemicamente pela indústria sob a supervisão da ESA, com cerca de 25% das amostras falhando na classificação.

Radiação: o inimigo invisível

Outro desafio foi avaliar os efeitos de outro fator importante do ambiente de Júpiter: a alta radiação.

Carsten comenta: "As células solares dos satélites geoestacionários de telecomunicações são expostas à radiação, é claro. O que descobrimos é que, como elas estão continuamente expostas à luz solar, as altas temperaturas as levam a um grau de autocura devido aos danos causados ​​pela radiação. Júpiter, tal auto-cura não está disponível.