Pannelli solari dei satelliti contro le radiazioni: In questo articolo vedremo come una nuova tecnologia può essere una soluzione contro le pericolose radiazioni solari.
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Satelliti e radiazioni solari
Sessantacinque anni dopo il lancio dello Sputnik, circa ottomila satelliti sono stati mandati in orbita. Da allora, moltissimi satelliti hanno formato uno sciame di cui circa 1,400 sono stati lanciati solo nel 2021. I satelliti possono essere spinti in orbite terrestri medie che si estendono a circa 36,000 chilometri, ma a quelle distanze, l’aumento della radiazione protonica dalle cinture di Van Allen provoca il caos sull’elettronica satellitare.
Un articolo scientifico descrive in dettaglio una nuova cella solare ultrasottile progettata per resistere alle radiazioni nelle orbite più lontane. Poiché queste celle solari sono molto sottili, eliminano anche l’ingombro non necessario che potrebbero rendere i satelliti più leggeri e quindi più facili da lanciare in orbita. Un giorno, queste celle solari resistenti alle radiazioni potrebbero persino trovarsi sulla superficie di un altro mondo.
Quando gli scienziati stavano cercando di capire dove posizionare i primi satelliti al mondo, scegliere l’orbita terrestre bassa era un gioco da ragazzi. La sua vicinanza alla Terra significava meno energia richiesta per il lancio. Inoltre, i satelliti che inviavano immagini alla Terra, potevano farlo a risoluzioni molto più elevate. Ma uno dei maggiori vantaggi era che evitavano in gran parte le fasce di radiazione che circondano la Terra.
Queste fasce di radiazioni si sono formate nella magnetosfera terrestre che catturano i venti solari. Nell’orbita terrestre ci sono un sacco di satelliti ma anche molta “spazzatura spaziale” e con il tempo, non farà che peggiorare”. L’orbita terrestre media potrebbe essere la risposta. Un esempio di orbita media è nota con il nome russo di “Molniya”, che significa “fulmine”. Un’orbita altamente ellittica che l’Unione Sovietica usò per la prima volta negli anni sessanta.
Poiché la Russia si trova a latitudini più elevate, i satelliti in realtà funzionano meglio dei satelliti in orbita geostazionari che sono spesso utilizzati sulla regione equatoriale della Terra. L’Organizzazione meteorologica mondiale ritiene inoltre che questi satelliti potrebbero essere importantissimi per l’osservazione delle regioni polari della Terra.
Sfortunatamente, i satelliti su orbite terrestri medie come Molniya, devono passare attraverso fasce di radiazioni protoniche. Per renderli economicamente sostenibili, questi satelliti devono durare più a lungo ed essere più facili da lanciare nello spazio. Fortunatamente, le celle solari ultrasottili funzionano su tutti i fronti.
Celle fotovoltaiche
La maggior parte dei satelliti utilizza celle fotovoltaiche solari come alimentazione. Quando queste celle assorbono la luce, trasferiscono l’energia in elettroni caricati negativamente che vengono liberati e generano elettricità attraverso la cella solare. Tuttavia, quando queste cellule vengono irradiate, le radiazioni spostano gli atomi all’interno di questi semiconduttori cristallizzati causando seri problemi.
Le moderne celle solari satellitari possono avere dimensioni di poche dozzine di micron. Anche le celle solari descritte come sottili possono misurare un micron di larghezza. Tuttavia, una cella solare di ultima generazione è di circa ottanta nanometri, che è circa un millesimo delle dimensioni di un capello umano.
Gli scienziati e gli ingegneri hanno inventato due versioni di questa cella solare ultrasottile. Una, strutturata con un tipico design su chip e l’altra, utilizza uno specchio posteriore argentato in modo che la cella solare possa catturare più luce. Entrambi utilizzano il materiale semiconduttore arseniuro di gallio.
Poiché non sono ancora stati testati i chip in un ambiente spaziale reale, il team di sviluppo di queste celle ha optato per la soluzione migliore; bagnare le celle solari con protoni irradiati.
Celle solari
Dopo aver studiato il danno alle celle utilizzando un processo chiamato catodoluminescenza e aver studiato l’efficienza energetica della cella con un simulatore solare compatto, i risultati hanno dimostrato che le celle ultrasottili hanno superato le loro controparti più spesse. Sebbene queste celle ultrasottili possano essere un vantaggio per la sopravvivenza di un satellite oltre l’orbita terrestre bassa, una cella solare più leggera significa anche un veicolo spaziale più leggero.
E poiché le celle solari sono più sottili, sono quindi meno soggette a problemi e le prestazioni della cella migliorano nel tempo rispetto alle controparti più spesse. Queste celle solari ultrasottili e resistenti alle radiazioni hanno bisogno di un po’ più di tempo prima di poter competere con le celle solari dei satelliti di oggi.
I prossimi passi saranno i miglioramenti nella gestione della luce come lo specchio posteriore argentato che aiuta la cella a catturare più luce migliorando anche il processo di produzione. Dopotutto, non è facile realizzare qualcosa con uno spessore di soli ottanta nanometri.
Una volta che queste celle saranno testate e saranno funzionanti, potrebbero essere montate anche a bordo di veicoli spaziali che andranno ben oltre l’orbita terrestre media.
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